水平管道内甲烷—空气预混气体爆炸过程研究

【摘要】： 随着煤矿开采深度的进一步加深,瓦斯涌出量急剧增加,瓦斯爆炸灾害的威胁也日益严重。我国煤矿所发生的特大事故大多属于瓦斯爆炸事故,要防治瓦斯爆炸事故,首先要掌握瓦斯爆炸特性参数(如爆炸极限、爆炸压力以及火焰传播速度)的变化规律及其影响因素。 研究气体爆炸常用的装置有20L圆柱型罐体、1m3球型罐等,但这些装置并不适于用来研究瓦斯爆炸；研究瓦斯爆炸现象需要借助于模拟巷道或实验管道,通过实验或模拟找出瓦斯爆炸特性参数。为此,本文建立了一套新的水平管道式气体爆炸实验系统,管道最长可达9.7m,内径为0.14m,长径比为70,该系统包括水平管道式燃烧爆炸管、爆炸压力测试系统以及自行设计的电气控制系统和火焰速度测试系统,并完成了对整个实验系统的安装调试,使之达到了实验要求。 瓦斯的主要成分是甲烷(CH4),因此瓦斯爆炸可以看作是甲烷-空气(CH4-Air)预混气体在外界火源诱导激发下的爆炸过程。本文利用新建立的水平管道式气体爆炸实验系统对甲烷-空气预混气体的爆炸过程进行了系统研究。首先在0.7m管道内对甲烷的爆炸极限进行了实验研究,结果表明在本文所采用的实验条件下甲烷爆炸极限范围为5%-15%；在甲烷爆炸极限范围内选取了5种不同浓度的甲烷,对其爆炸压力进行了实验研究,结果表明甲烷的最佳爆炸浓度为10%,在该浓度下甲烷的爆炸压力和爆炸压力上升速率最大,达到最大爆炸压力的时间最短；用自行设计的火焰速度测试系统分别对9.7m光滑管道和置障管道内甲烷爆炸火焰传播速度进行了实验研究,实验结果表明甲烷在置障管道内的火焰传播速度明显大于其在光滑管道内的火焰传播速度,在管道两端密闭的条件下无论是光滑管道还是置障管道火焰传播速度均随其在管道内传播距离的增大而减小。 针对管道长度、障碍物、配气方法和传感器安装深度等因素对管道内甲烷-空气预混气体爆炸压力的影响开展了对比性的实验研究。通过三种不同长度管道内的甲烷爆炸实验发现3.1m管道内甲烷的爆炸压力和爆炸压力上升速率最大,同时二者还随爆炸波在管道内传播距离的增大而增大；以阻塞率为60%的圆环型障碍物为例,通过实验研究了障碍物对甲烷爆炸压力的影响,结果表明当障碍物数量为3片时甲烷的爆炸压力和爆炸压力上升速率最大,二者在置障管道内随爆炸波在管道内传播距离的增大呈现出先减小后增大的变化规律；针对传统的两端配气法对长管道配气时气体混合均匀度低的问题,自行设计了一套配气装置并建立了多点多节配气法,结果表明多点多节配气法可显著提高长管道内甲烷-空气预混气体的均匀度,对于体积浓度为10%的甲烷气体,气体混合均匀度越高其爆炸压力和爆炸压力上升速率越大；改变传感器在管道内的安装深度可使传感器敏感面位于管道直径方向四个不同的位置,通过对这四个位置甲烷的爆炸压力的实验研究发现随着传感器敏感面到管道中心距离的增大,甲烷最大爆炸压力及最大爆炸压力上升速率依次减小,管道中心处的最大爆炸压力约为管道壁面最大爆炸压力的1.8倍。 利用Fluent软件对管道内甲烷-空气预混气体爆炸过程进行了数值模拟。针对甲烷-空气预混气体分别在光滑管道和置障管道内的爆炸火焰阵面进行了模拟,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析,结果表明二者有较好的一致性。 【关键词】：管道 甲烷-空气预混气体 气体爆炸 障碍物 数值模拟
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TD712.7
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-23
• 1.1 选题的背景和意义12-14
• 1.2 国内外研究进展14-21
• 1.2.1 可燃气体爆炸特性研究进展14-20
• 1.2.2 管道内可燃气体爆炸特性数值模拟研究进展20-21
• 1.3 前人研究的不足与本文研究的目的21-22
• 1.4 本文研究内容22-23
• 2 可燃气体爆炸的相关理论23-41
• 2.1 可燃气体爆炸的基本形式23-26
• 2.2 可燃气体爆炸的基本参数26-31
• 2.3 可燃气体爆炸的影响因素31-36
• 2.4 可燃气体火焰加速机理36-40
• 2.5 本章小结40-41
• 3 水平管道式实验系统的建立41-53
• 3.1 实验系统的设计41-50
• 3.1.1 管道设计41-43
• 3.1.2 电气控制系统设计43-47
• 3.1.3 爆炸压力测试系统设计47-48
• 3.1.4 火焰速度测试系统设计48-50
• 3.1.5 其它设备50
• 3.2 实验系统的安装调试50-52
• 3.2.1 实验系统气密性考核50-51
• 3.2.2 爆炸压力测试系统考核51-52
• 3.3 本章小结52-53
• 4 甲烷爆炸特性的实验研究53-65
• 4.1 甲烷爆炸极限的实验研究53-55
• 4.1.1 实验方法及条件53-54
• 4.1.2 实验结果及分析54-55
• 4.2 甲烷爆炸压力的实验研究55-60
• 4.2.1 实验方法及条件55-56
• 4.2.2 实验结果及分析56-60
• 4.3 甲烷爆炸火焰传播速度的实验研究60-64
• 4.3.1 实验方法及条件60-62
• 4.3.2 实验结果及分析62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 甲烷爆炸压力影响因素的实验研究65-90
• 5.1 管道长度对甲烷爆炸压力的影响研究65-72
• 5.1.1 实验方法及条件65
• 5.1.2 3.1m管道内甲烷爆炸压力的实验研究65-68
• 5.1.3 9.7m管道内甲烷爆炸压力的实验研究68-69
• 5.1.4 不同长度管道内甲烷爆炸压力的对比分析69-72
• 5.2 障碍物对甲烷爆炸压力的影响研究72-78
• 5.2.1 实验方法及条件72-74
• 5.2.2 实验结果及分析74-78
• 5.3 配气方法对甲烷爆炸压力测试的影响研究78-84
• 5.3.1 实验方法及条件79-80
• 5.3.2 实验结果及分析80-84
• 5.4 传感器安装深度对甲烷爆炸压力测试的影响研究84-88
• 5.4.1 实验方法及条件84-85
• 5.4.2 实验结果及分析85-88
• 5.5 本章小结88-90
• 6 管道内甲烷爆炸过程的数值模拟研究90-105
• 6.1 气体爆炸数学物理模型及数值方法90-97
• 6.1.1 基本控制方程90-91
• 6.1.2 k-ε湍流模型91-92
• 6.1.3 湍流火焰速度92-93
• 6.1.4 燃烧模型93-95
• 6.1.5 壁面函数95-97
• 6.2 约束条件下可燃气体爆炸的理论模型97-98
• 6.3 数值模拟计算条件98-99
• 6.3.1 密闭管道模拟计算域98
• 6.3.2 二维网格划分98-99
• 6.4 初始条件及边界条件99-101
• 6.4.1 流场初始化条件99
• 6.4.2 边界条件99-101
• 6.5 数值模拟结果及分析101-104
• 6.5.1 管道内有/无障碍物的比较分析101-102
• 6.5.2 障碍物的数量对火焰阵面的影响102-103
• 6.5.3 数值模拟结果与实验结果的对比103-104
• 6.6 本章小结104-105
• 7 结论105-108
• 7.1 本文的主要研究结论105-106
• 7.2 本文的研究特色与创新106-107
• 7.3 本文的不足与研究展望107-108
• 参考文献108-117
• 攻读博士期间的主要研究成果117-118
• 致谢118

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