受限空间内障碍物数量对瓦斯爆炸激励作用实验研究.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();“十三五”国家重点研发计划资助项目();中央高校基本科研业务费资助项目()作者简介:姚礼琳(),男,山东滕州人,华北科技学院矿山安全学院在读硕士研究生,研究方向:煤矿安全。:移动扫码阅读:姚礼琳,王学强,席国军,等 受限空间内障碍物数量对瓦斯爆炸激励作用实验研究华北科技学院学报,():,():受限空间内障碍物数量对瓦斯爆炸激励作用实验研究姚礼琳,王学强,席国军,徐景德,周振兴(华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊;陕西煤业股份有限公司,陕西 西安;陕西彬长胡家河矿业有限公司,陕西 咸阳;华北科技学院 高等教育研究所,北京 东燕郊)摘 要:
2、为探究柱状障碍物数量对瓦斯爆炸激励效应,使用实验室爆炸超压、火焰速度测试系统与激光纹影系统,在管道中部玻璃视窗处放置阻塞率为 柱状障碍物。改变障碍物数量,对比不同工况下爆炸超压、火焰信号并结合纹影图像分析柱状障碍物激励效应的机理。结果表明:本实验工况下,较短距离设置相邻火焰传感器能稳定获取火焰速度震荡情况。障碍物对火焰传播速度、前驱激波超压峰值与测点最大超压峰值的激励效应随障碍物数量的增加呈非线性关系,测点峰值随障碍物数量增加先增大后减小;前驱激波超压峰值与测点最大超压峰值出现位置相同,都与障碍物设置区域存在一定间距,因此矿井巷道设置隔爆装置可与障碍物保持一定距离。在实际生产中,应对密集分布的
3、障碍物做出完善的阻燃抑爆措施,缩小瓦斯爆炸波及范围,减少井下操作人员伤亡;通过瓦斯爆炸对巷道毁伤情况,可判别火源位置及障碍物参与情况。关键词:瓦斯爆炸;柱状障碍物;阻燃抑爆中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,;,):,第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 ,;:;引言瓦斯爆炸是矿井常见的恶性事故之一,其事故破坏性大,一直都是研究的热点问题。煤矿井巷发生瓦斯爆炸时,胶带机、矿车、液压支护等机械设备都是障碍物,将致使巷道内湍流度急剧上升,激励火焰阵面快速传播并显著增强爆炸冲击波超压。深入分析障碍物的激励效应,有助于瓦斯爆炸事故机理调查研究。国内外学者对障碍物促爆机理与障碍物形状、数
4、量、间距与摆放方式开展了大量研究。针对促爆机理的研究中,等认为:未燃气体平动造成障碍物附近湍流度上升,燃烧波抵达该区域时,湍流能加速燃烧波阵面运动。等研究发现,孔板形障碍物能明显加速管内火焰阵面的运动。景国勋等进行实验发现,矩形板状障碍物对可燃气体爆炸超压影响最大。罗振敏等使用 软件模拟受限空间内瓦斯爆炸,发现圆柱形障碍物的存在导致管道末端爆炸超压出现大幅上升,爆炸反应时间明显缩短。等进行实验发现截面为圆形的障碍物对火焰加速作用最小。赵永鑫等通过数值模拟发现,单个圆柱形障碍物后方区域存在压力波动;比例距离增大,压力波动幅度随之下降。林伯泉等通过实验发现障碍物数量的增加能迅速提升火焰传播速度,显
5、著减慢火焰速度衰减。等研究了障碍物数量对湍流预混火焰的影响,发现障碍物数量的增加会加剧火焰锋面扭曲形变。等发现增加障碍物数量,能大幅提升爆炸超压峰值。尉存娟等通过实验发现,管道内放置不同数量的环形障碍物时,爆炸火焰传播速度与爆炸压力随障碍物数量增加先增后减。宋晓婷等发现管道内多个竖放柱状障碍物时,火焰阵面拉伸程度最为严重。陈道阳等通过数值模拟发现,管道内火焰传播速度随障碍物间距的增加,先增大后减小。管道内障碍物摆放方式能直接影响火焰经过障碍物表面面积,其中圆柱形障碍物竖放时火焰经过障碍物表面面积最大,对火焰传播速度的提升最为显著。实际生产中,煤矿井巷内液压支护往往队列式密集分布。然而现有研究侧
6、重于 个障碍物队列式分布,针对管道内 个柱状障碍物对瓦斯爆炸激励作用实验研究较少。冲击波遇到单个圆柱形障碍物后,会发生绕射,并在后方形成涡旋;障碍物数量的增加,导致流场内湍流分布复杂,障碍物对瓦斯爆炸激励作用规律进一步复杂。因此,本文采用阻塞率为 的圆柱形障碍物,探究 个障碍物对瓦斯爆炸激励作用的影响。圆柱形障碍物激励效应的机理分析 图 为圆柱形障碍物对冲击波传播影响示意图,管道壁面约束作用导致冲击波发生规则反射华北科技学院学报 年第 期与非规则反射,逐渐形成均匀的类平面波不断向前传播。管道中冲击波一接触到障碍物,随即发生壁面反射。冲击波沿障碍物两侧绕行过程中与障碍物迎波面接触逐渐增多,随之产
7、生一道向外扩张的、弯曲的反射波。当冲击波经过圆柱形障碍物前半部分后,障碍物后方形成冲击波绕射并驱动未燃气体形成涡旋。图 圆柱形障碍物对冲击波影响示意图密闭管道内,正激波与反射激波平动驱动未燃气体在管道内往复运动,致使障碍物迎火焰面方向与火焰传播方向均有涡旋存在。工况 原始纹影图像如图 所示,障碍物附近存在涡旋,诱导火焰锋面开始发生形变失稳,如图()所示。当越过障碍物后,火焰锋面快速湍流化;其燃烧释热速率迅速提升并加速向前运动,如图()所示。根据瓦斯爆炸“两波三区”理论,火焰阵面经多个障碍物加速后,将诱导更强的冲击波产生,极大加强瓦斯爆炸事故的严重性。实验装置与方法 实验装置基于瓦斯爆炸尺寸效应
8、与实际巷道断面尺寸与类型,选用六段方形中尺度激波管作为爆炸容器,末端使用盲板密封,如图()所示;激波管截面尺寸为 ,爆炸容器总长度为 。管道最左端为圆形截面的点火段(长、内径 )。点火电极位于点火段最左端壁面中心位置,电极间隙为 。点火器为自主研制,同步装置触发时输入 电平,产生高压火花,引燃激波管内预混气体。图 原始纹影图像(工况)使用东华公司 数采系统采集并分析压力、火焰信号。压力传感器为美国 公司 压电传感器(型号为),谐振频率,上升时间 ,灵敏度为 ,满足本实验压力数据采集要求。光电二极管(型号为)为火焰传感器主体,完成火焰光电信号转换工作;由 卡记录分压电路中的电信号,信号初始上升时
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