![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响.pdf
《侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式:贾进章,朱致術,陈怡诺.侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响J.安全与环境工程,2023,30(3):69-77,89.Jia J Z,Zh u Z H,Ch en Y N.Inf luenc e o f la t era l v ent a nd o bs t a c le s h a pe o n met h a ne explo s io n in pipelines EJ.Safety and
2、Environmental Engineering,2023,30(3):69-77,89.侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响贾进章,朱致严,陈恰诺1,2(1.辽宁工程技术大学安全科学与工程研究院,辽宁阜新123000;2.辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室,辽宁葫芦岛125105)摘要:瓦斯爆炸是我国煤矿开采的长期安全问题,为研究不同形状障碍物对侧向泄爆口泄爆效果的影响,采用 数值模拟的方法,利用Fluent软件分析小尺寸管道中各测点的超压和火焰传播速度变化曲线以及火焰传播温度和 速度矢量在各个时间段的云图,研究不同形状障碍物和侧向泄爆口耦合作用下管道内瓦斯爆炸后
3、超压变化和火焰 传播特性变化规律。结果表明:在矩形障碍物和梯形障碍物的管道中,侧向泄爆口的存在会影响湍流火焰,使障碍 物后方旋转的火焰由于内外压差被侧向泄爆口排出;而对于圆形障碍物,由于其弧形表面和侧向泄爆口的存在,使 通过障碍物下方的火焰沿着障碍物壁面流向侧向泄爆口,对火焰传播速度的影响较小;火焰通过管道左端泄爆口 的时间表现为无障碍物圆形障碍物梯形障碍物矩形障碍物。关键词:瓦斯爆炸;侧向泄爆口;障碍物形状;超压;Fluent中图分类号:X932;TD712+.7 文章编号:1671-1556(2023)03-0069-09 收稿日期:2022-05-09DOI;10.13578/ki.is
4、sn.1671-1556.20220600 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Influence o f Lateral Vent and Obstacle Sh ape o n Meth ane Explo sio n in PipelinesJIA Jinzh a ng12,ZHU Zh ih eng12*,CHEN Yinuo12(1.Co lleg e o f Saf e ty Sc ie nc e and Eng ineering,L iao ning Tec h nic al University Fuxin 123000;2.Ke y labo rato ry o f Mi
5、ne Po se r Disaste r and Prev entio n o f Ministry o f Ed uc atio n,L iao ning Tec h nic al Univ ersity,Hulud ao 125105,Ch ina)Abst r ac t:Ga s explo s io n is a lo ng-t erm pro blem in t h e s a f e mining o f c o a l mines in Ch ina In o rder t o s t udy t h e inf luenc e o f o bs t a c le s wit h
6、 dif f erent s h a pes o n t h e explo s io n relief ef f e c t o f la t era l explo s io n v e nt,t h e o-v erpres s ure a nd v elo c it y c h a nge c urv es o f ea c h mea s uring po int in s ma ll-s ize pipelines a nd t h e c lo ud diagra m o f t empera t ure a t ea c h t ime a re a na lyzed by t
7、 h e numeric a l s imula t io n met h o d a nd Fluent s o f t wa re t o a na lyze t h e la w o f o v erpres s ure c h a nge a nd f la me pro pa ga t io n c h a ra c t e ris t ic s a f t er ga s explo s io n(under t h e c o upling a c t io n o f o bs t a c le s a nd la t era l v ent).Th e res ult s s
8、 h o w t h a t in pipelines wit h rec t a ngula r o bs t a c les a nd t ra pezo ida l o bs t a c le s,t h e exis t enc e o f la t era l v ent will a f f ec t t h e t urbulent f la me,s o t h a t t h e ro t a t ing f la me beh ind t h e o bs t a c le s is dis c h a rged by t h e la t era l v ent due
9、t o t h e int erna l a nd ext erna l pres s ure dif f erenc e;f o r c irc ula r o bs t a c les,due t o t h e exis t enc e o f a rc s urf a c e a nd la t era l v e nt,t h e f la me pa s s ing under t h e o bs t a c le s c a n f lo w t o t h e la t era l v ent a lo ng t h e wa ll o f t h e o bs t a c
10、les,a nd t h e inf luenc e o f f la me pro pa ga t io n s peed is s ma ll;t h e t ime wh en t h e f la me pa s s es t h ro ugh t h e explo s io n v ent a t t h e lef t e nd:no o bs t a c lec ir-基金项目:国家自然科学基金项目(52174183)作者简介:贾进章(1974),男,博士,教授,主要从事矿井通风与瓦斯防治方面的研究。E-mail:jia jinZh a ng163.c o m通讯作者:朱致術(
11、1998),男,硕士研究生,主要研究方向为瓦斯爆炸灾害防治。E-ma il:754758532qq.c o m70鉴仝与琢规工程 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷c ula r o bs t a c le t ra pezo ida l o bs t a c le re c t a ngula r o bs t a c le.Key wo r ds:ga s explo s io n;la t era l v ent;o bs t a c le;o v erpres s ure;Fluent瓦斯爆炸是煤矿井下最严重的事故之一,我国 煤炭行业一次死亡10人以上的特大事故和重大
12、事 故中,有70%是瓦斯爆炸事故和粉尘爆炸事故,其 事故后果惨重,经常造成重大人员伤亡和巨额财产 损失,严重威胁着我国煤矿业的可持续发展幻。为 了减少瓦斯爆炸事故的发生和减轻瓦斯爆炸事故带 来的危害,对瓦斯爆炸机理和爆炸过程的研究一直 是热点。针对瓦斯爆炸的相关研究中,张迎新等研究 了惰性气体对瓦斯爆炸的抑制作用;乔征龙等基 于Ch a rle t t e模型研究了柔性障碍物对瓦斯爆炸的 影响,发现相比于刚性障碍物,柔性障碍物会降低瓦 斯爆炸产生的超压和瓦斯爆炸过程中火焰的传播速 度、火焰的表面积,改变火焰的结构,对瓦斯爆炸具 有抑制作用;徐阿猛等闪研究了障碍物对瓦斯爆炸 冲击波的影响,发现有
13、障碍物存在时,瓦斯爆炸冲击 波压力会进一步增强,易造成更大的破坏;王磊等 研究了不同形状的障碍物对瓦斯爆炸火焰传播速度 的影响以及障碍物的反射压力特性;林柏泉等刀研 究了障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的影 响,发现随着障碍物数量的增加,瓦斯爆炸火焰传播 速度迅速提高,衰减速度变慢,波及范围扩大;Nguye n等使用二维CFD模型研究了障碍物和湍 流模型对甲烷火焰传播的影响,发现甲烷-空气混合 气体的火焰在圆形、六边形和正方形3种形状障碍 物的传播中,正方形是火焰传播最快的障碍物;万少 杰凹研究了侧向泄爆口位置和面积对管道内甲烷爆 炸特性的影响规律以及障碍物的位置和阻塞率对甲 烷爆炸火焰结构
14、、传播速度、爆炸超压的具体影响规 律;Ale xio u等皿研究了侧向泄爆口位置对容器 中气体爆炸的影响,通过对比侧向泄爆和末端泄爆 的效果发现,当侧向泄爆口距离点火点最远时,泄爆 效果最差,而侧向泄爆口距离点火点最近时,泄爆效 果较好,且随着侧向泄爆口与点火点之间距离的增 大,火焰传播速度和湍流参数均增大;Oh等则研究 了障碍物对末端泄放爆炸的作用效果,发现障碍物 阻塞率是影响火焰传播和爆炸超压的重要参数,且 障碍物对泄放爆炸的影响作用要比对密封容器中爆 炸的影响更明显。以上研究主要是针对惰性气体、柔性和刚性障 碍物对瓦斯抑爆的影响以及障碍物对末端泄爆口泄 爆效果的影响,而针对障碍物对侧向泄
15、爆口泄爆效 果影响的研究较少,由于井下管道的复杂性,存在各 种形状的障碍物。因此,本文以体积分数9.5%的 甲烷-空气混合气体为研究对象,研究障碍物形状的 改变对于侧向泄爆口泄爆效果的影响,并研究该工 况下瓦斯爆炸火焰传播特性,分析爆炸压力和火焰 传播速度的变化规律,以期为工业和井下设备的安 装和易燃气体的泄爆等提供参考。1瓦斯爆炸数值模拟1.1数学模型湍流能量大部分集中于大涡结构之中,湍流长 度尺寸I是其相关物理量,本研究在小尺寸管道中 进行,气体可作为理想气体看待,忽略重力爆炸特性 的影响作用,因此选用大涡模拟(la rge eddy s imulat io n,LES)保留较大尺度脉动,
16、以满足精确求解需 求。基于低马赫数流动的N-S方程,遵循质量组 分守恒、动量守恒和能量守恒方程,其爆炸控制方程 计算公式如下:连续方程为字+驴=0(1)dt djCidt djCi式中:血表示:方向上的速度矢量;P为气体密度(k g/n?);表示坐标系参量。动量方程为aput|ap(.dtdt 十 dxj dxidxj dxi(丿式中:P表示压力;可表示黏性应力张量。能量方程为a(ph),d puth _ d 八 3T、I/c、-r-)totdt djCi dXi dXtdt djCi dXi dXt式中表示焙M表示导热系数;3T表示化学反应 热。由于漩涡尺度小于管道直径,所以湍流长度尺 寸I
17、受到模型的限制,当湍流强度VI%时,可以认 为其强度较低;而当湍流强度10%时,可以认为其 强度较高。在层流中,湍流强度可以用绕流物体的 几何特征粗略计算。湍流长度尺寸I与管道物理尺寸L的关系可 以表示为1=0.07L(4)式中M为湍流长度尺寸(m);0.07为比例因子,是 充分发展管流中混合长的最大值;L为管道直径 第3期贾进章等:侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响71(in),当管道不是圆管时,可以代表水力直径。在 LES 模型中选择 Int ens it y a nd Hydra ulic Dia me t e r时,湍流动能K与湍流强度I的关系可表 示为:K=1.5X(z/a
18、 v gXI)2(5)式中旳啦为湍流平均速度(m/s)o长度尺寸I与湍流耗散率之间的关系可表示为=C眇 XI/(6)式中:C沁为湍流模型中的一个经验常数,其值约等 于 0.09 01.2物理模型侧向泄爆口和障碍物在管道中的示意图,如图 1所示。模拟中使用长度为1 000 mm的方形管道,管道截面为100 mmX 100 mm,由于在瓦斯爆炸过图1侧向泄爆口和障碍物在管道中示意图Fig.1 Schematic diag ram of lateral vent and obstaclesin.a pipeline程中会伴随着能量的产生,而火焰波的能量会在管 道传播过程中逐渐降低,因此爆炸超压主要位
19、于距 离点火端不远处。随着泄爆口与点火源距离的增 大,瓦斯爆炸火焰传播会受到末端泄爆口的影响发 生畸变,并且泄爆口距离点火端越近,泄爆效果 越佳为了获得侧向泄爆口附近较明显的火焰传 播特性,选择在点火端附近开设侧向泄爆口,侧向泄 爆口 a中心距离管道右侧125 mm(工况a),侧向泄 爆口 a尺寸设置为80 mmX80 mm;改变侧向泄爆 口的位置,在距离管道右侧375 mm处设置侧向泄 爆口 b(工况b)。由于瓦斯爆炸过程中障碍物会极 大地加速火焰传播速度,产生更加强烈的湍流现象,为了防止经过侧向泄爆口的火焰传播速度过大而降 低泄爆效率,因此在侧向泄爆口 Q正下方分别设置 截面尺寸半径为30
20、 mm的球体、截面尺寸为 60 mmX47.1 mm的长方体以及截面为上底23.4 mm、下底53.2 mm、高为60 mm的梯形障碍物,让 3种形状障碍物的触火面高度相同、面积基本一致 以控制阻塞率。在管道的中心分别布置球形、长方 形和梯形障碍物,使火焰传播能够在管道中均匀分 散,以获得影响最大的瓦斯爆炸特性图皿皈。图2 为管道的截面图,在距离点火端为85、165、245、325、405、485、645、805 mm 高度 50 mm 处分别设置 监测点 T1、T2、T3、T6、T9、T1O、T11、T12,在侧向 泄爆口 a中心位置向下10 mm和90 mm处设置监 测点T4、T5,在侧向
21、泄爆口 b中心位置向下10 mm 和90 mm处设置监测点T7、T8。T12.T11.835-1 80 j*T7*T10.T9.T6 T3T8 80-72翊舛郭 幣邛0厂/201001000图2管道截面图(单位:mm)Fig.2 Pipe section(unit:mm)1.3模型网格划分本次模拟采用ICEM CFD 2D软件对模型进行网 格划分,由于网格划分对于模型计算的精准度有着直 接的影响,故在2D Surf a c e Blo c k ing中建立了一个尺 寸为1 000 mmX 100 mm的矩形。如图3网格独立 性分析所示,建立单元尺寸分别为1、08.0.6、04 mm的网格并进行
22、模拟计算,发现0.4 mm网格曲线 存在一定偏差O 6 mm网格曲线温度数据最明显,考 虑到网格划分数据效果相差不多6 mm网格运算 时间过长,并且根据前人研究,结合计算效率和精 准度,将管道整体按网格单元尺寸为1 mm进行划 分,网格划分的总数量为100 000个,在加密部分采用 网格单元尺寸为0.6 mm进行模拟计算。如图4所 示,对于设置了侧向泄爆口而无障碍物的工况,为了 更精确地体现出瓦斯爆炸在侧向泄爆口附近的反应,在侧向泄爆口下方进行网格加密,加密部分网格单元 尺寸为0.6 mm,最终网格划分总数为148 950个。此 外,为了更好地体现障碍物对管道内流体的影响,如 图5所示在侧向泄
23、爆口下方和障碍物四周进行网格图3网格独立性分析Fig.3 Grid independence analysis72安全与猱说工裡 ht t p:/kt aq.c bpt.c 第30卷加密,加密部分障碍物四周的网格单元尺寸为0.6 mm,最终圆形障碍物、梯形障碍物和矩形障碍物工 况下网格划分总数分别为135 200个、175 600个和 152 560 个。Fig.4 Grid division of working condition of barrier free lateral vent(local schematic diag ram)Fig.5 Grid division of wor
24、king conditions of obstacles of different shapes and lateral vent(local schematic diag ram)1.4初始条件设置和参数选取将管道壁面和障碍物壁面设置为绝热壁面防止 流体的干扰,最左端泄爆口和侧向泄爆口边界设置 为压力出口。使用CFD求解器Flue nt 2020R瞬态 求解法,模拟中使用甲烷(CHQ作为可燃气体,甲烷 体积分数为9.5%。使用pa t c h对预混气体点火,采 用四边形的内部点火方式,点火位置位于右端壁面 中心,点火坐标为(9901 000 mm,4555 mm)。管道内初始化CH4=0.0
25、95、02=0.19(甲烷和氧气 体积分数为9.5%和19%),温度T-300 K,初始绝 对压力为1个标准大气压,将pa t c h点火初始化温 度设置为2 000 K,压力设置为5个标准大气压,采 用SIMPLE算法,模拟步长设置为1X IO5,最大迭 代步数为20。2模拟结果与分析图6为10 ms时不同形状障碍物条件下侧向泄 爆口位于a和b处时管道内火焰传播过程中的温度 云图和速度矢量图。由图6可以看出,火焰在经过不同障碍物顶部 和底部时所产生的传播速度不同:当侧向泄爆口位 于a处时,由于障碍物底部空间的压缩,火焰波经过 障碍物底部空间的挤压后火焰传播速度骤增,此时 矩形障碍物和梯形障碍
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 侧向 泄爆口 障碍物 形状 管道 瓦斯 爆炸 影响
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。