（安全技术及工程专业论文）障碍物对甲烷—煤粉爆炸强度影响的实验研究.pdf

障碍物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 ( 2 ) 煤尘甲烷混合物爆炸实验结果表明，煤尘粒径越小，爆炸威力越大；煤尘浓度 为5 0 0 9 m 3 、甲烷浓度为6 - 7 时，爆炸威力最大。 关键词：甲烷煤粉混合物；爆炸；超压；压力上升速率；障碍物 人迮理i ：人学硕十学f 节论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ee f f e c to fo b s t r u c t i o n o nm e t h a n e c o a ld u s te x p l o s i o ni n t e n s i t y a b s t r a c t m o r ea n dm o r ee x p l o s i o n so fg a sa n dc o a l - d u s to c c u r r e df r e n q u e n t l yi nr e c e n ty e a r s t h e r e a r el o t so fo b s t r u c t i o n ss u c ha sa p p a r a t u sa n dm a c h i n e se l c a l m o s ti na l le x p l o s i o n sl o c a l e s t h eo b s t r u c t i o n sm a k ee x p l o s i o nm o r ep o w e r f u la n dl o s sg r e a t e r i no r d e rt op r e v e n tt h e e x p l o s i o n so fc o a l d u s ta n dc o m b u s t i b l eg a s ，t h ee x p l o s i o np o w e ra n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m i x t u r e sm u s tb ec o n f i r m e df i r s t l y b u tt h es t u d i e so nt h em i x t u r e se x p l o s i o ne s p e c i a l l yt h e e x p l o s i v ee f f e c to fo b s t r u c t i o no nm e t h a n e c o a ld u s tm i x t u r e sa r ef e w t h ee x p l o s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fm e t h a n e - c o a l - d u s ta i m i n ga th a v i n go b s t r u c t i o n sa n dh a v i n gn oo b s t r u c t i o n s w e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r t h em a i n w o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo b s t r u c t i o nt w i t c h e dc o a l - d u s t g a se x p l o s i o ne q u i p m e n t w a ss e tu pa c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d t h ee q u i p m e n tc o u l dc o n t r o lc o a l d u s t ，m e t h a n ea n d o b s t r u c t i o np a r a m e t e r s ，e x p l o s i o np r e s s u r e ，t h em a x i m u mp r e s s u r er i s i n gr a t ea n de x p l o s i o n t i m ee t c ( 2 ) t h e o b s t r u c t i o n sa c c e l e r a t e dr e m a r k a b a l yt h e e x p l o s i o n o fc o a l d u s t - m e t h a n e c o m p a r i n gw i t hn oo b s t r u c t i o n ，t h ee x p l o s i o nt i m ed e c r e a s e d f r o m7 0 m st o 2 0 m s ； a c c e l e r a t i n gm e c h a n i s mo fp r e s s u r ew a v ei np i p e l i n ei st h a tt h ep o s i t i v ef e e d b a c kb e t w e e n o v e r f a l lo b s t r u c t i o ni n d u c i n ga n di n f l a m m a t i o n ( 3 ) t h ee f f e c t so fs t r u c t u r e ，p o s i t i o n ，a m o u n t ，b l o c k r a t eo f o b s t r u c t i o no nt h em a x i m u m e x p l o s i o np r e s s u r e ，t h em a x i m u mp r e s s u r er i s i n gr a t ea n de x p l o s i o nt i m ei nt h ep i p e l i n ew e r e s , u d i e d i ns i xd i f f e r e n ts h a p e so b s t r u c t i o n s ，t h es q u a r eh a st h em o s ta b i l i t yt oa c c e l e r a t ea n d t h er o t u n d i t yh a st h el e a s ta b i l i t ya n dt h et r i a n g l eh a st h em i d d l ea b i l i t yt oa c c e l e r a t e w h e n t h ed i s t a n c eo fo b s t r u c t i o n si sa p p r o a c h i n gt ot h ed i a m e t e ro ft h ep i p e l i n e ，t h ep r e s s u r er i s i n g r a t er e a c h e dt h em a x i m u m w h e nt h ea m o u n to fo b s t r u c t i o n si s15 ，t h ep r e s s u r ea n dt h e p r e s s u r er i s i n gr a t eb o t l lr e a c h e dt h em a x i m u m r e s p e c t i v e l y w h e nt h eb l o c k r a t eo f o b s t r u c t i o nr e a c h0 5 ，t h ep r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r er i s i n gr a t ea l s ob o t hr e a c h e dt h em a x i m u m ， r e s p e c t i v e l y ( 4 ) t h ee f f e c t so fc o m p o s i o no fm e t h a n ea n dc o a l - d u s to ne x p l o s i o nw e r es t u d i e d w 曲 c o a l - d u s tp a r t i c u l a rs i z ed e c r e a s i n g ，t h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n dm a x i m u m p r e s s u r e r i s i n gr a t ei n c r e a s e d ，a n d ；埘t l lc o a ld u s tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ，t h em a x i m u me x p l o s i o n p r e s s u r ea n dm a x i m u m r a t ep r e s s u r er i s i n gr a t ei n c r e a s e df i r s tt h e nd e c r e a s e d ，a n dw h e nt h e c o n c e n t r a t i o nw a s5 0 0 9 m 3 , t h eb o t hr e a c h e dt h em a x i m u m ；w i t ht h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n g ，t h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n dm a x i m u mp r e s s u r er i s i n gr a t ei n c r e a s e df i r s t 障碍物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 t h e nd e c r e a s e d ，a n dw h e nt h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o nw a s6 7 ，t h em a x i m u me x p l o s i o n p r e s s u r ea n dm a x i m u mp r e s s u r er i s i n gr a t er e a c h e dt h em a x i m u m t h em a i ni d e a sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h ee x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm e t h a n e - - c o a ld u s tm i x t u r e s w i t ho b s t r u c t i o n si nt h ep i p e l i n e ，a n dt h ee x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa f f e c t e db ys h a p e s ，s i z e a n da m o u n te t c o fo b s t r u c t i o nh a sb e e ng o t t e n i ns i xd i f f e r e n ts h a p e so b s t r u c t i o n s ，t h es q u a r e h a st h em o s ta b i l i t yt oa c c e l e r a t ea n dt h er o t u n d i t yh a st h el e a s ta b i l i t ya n dt h et r i a n g l eh a st h e m i d d l ea b i l i t yt oa c c e l e r a t e w h e nt h ed i s t a n c eo fo b s t r u c t i o n si sa p p r o a c h i n gt ot h ed i a m e t e r o ft h ep i p e l i n e ，t h e p r e s s u r er i s i n g r a t er e a c h e dt h em a x i m u m w h e nt h ea m o u n to f o b s t r u c t i o n si s15 ，t h ep r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r er i s i n gr a t eb o t hr e a c h e dt h em a x i m u m ， r e s p e c t i v e l y w h e nt h eb l o c k r a t eo fo b s t r u c t i o nr e a c h0 5 ，t h ep r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r e r i s i n gr a t ea l s ob o t hr e a c h e dt h em a x i m u m ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h es m a l l e rc o a l d u s tp a r t i c u l a rw a s ，t h eb i g g e rt h ee x p l o s i o n p o w e r , a n dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so fc o a l - d u s ta n dm e t h a n ew e r e5 0 0 9 m ja n d6 - 7 ， r e s p e c t i v e l y ，t h ee x p l o s i o np o w e rw a st h em o s t k e yw o r d s ：m e t h a n e - c o a l d u s t m i x t u r e ；m i x t u r e ；e x p l o s i o n ；o v e r p r e s s u r e ；p r e s s u r er i s i n gr a t e ； o b s t r u t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 人连理i 人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 雠辄生垒 导师箍名 社 人连理i ：人学硕十学位论文 引言 工业过程中，像石油、化工、粉尘加工等生产中，处理的大多是可燃气体和可燃性 粉未，随之而柬的是气体和粉尘的爆炸事故不断增加，特别是近些年来，煤矿巷道瓦斯 煤尘爆炸事故频繁发生，所有的这些爆炸造成了严重的人员伤亡和巨大的经济损失。因 此，有关普通的可燃气体爆炸或者粉尘爆炸的研究早已引起人们的关注。国内外进行了 大量实验，探讨了可燃气体和粉尘爆炸的机理、爆炸模型、爆炸参数、以及爆炸强度的 影响因素等，并且也在这些方面取得了卓有成效的研究成果。但是所有的这些研究都几 乎只着眼于普通的可燃气体爆炸或者单独的粉尘爆炸，然而，现实中几乎所有的爆炸都 是混合物的爆炸，特别在煤矿等工业现场，自1 9 4 9 年以来，我国统计的死亡人数超过 1 5 0 以上的1 5 起特大煤矿爆炸事故中，瓦斯和煤粉混合物爆炸占爆炸总数的1 0 0 ，因 此对于可燃气体和粉尘混合物爆炸的研究就显得尤其重要。 目前，国内外研究者针对气体爆炸和粉尘爆炸的特性参数如浓度、粒径、点火延迟 时间、点火能以及环境参数像爆炸初始压力和温度、容器形状等，研究了爆炸强度变化 7 规律和压力、温度、火焰的传播规律。研究表明，可燃气体的存在降低了粉尘的爆炸下 限浓度，同时增大了粉尘爆炸的上限浓度，使最大爆炸压力升高，最大压力上升速率增 大，从而使粉尘爆炸强度增大；同样的，粉尘的存在也会降低气体的爆炸下限浓度，同 时还在爆炸过程中容易发生二次爆炸，并使爆炸强度增大。 至今为止，研究者对于障碍物存在条件下含杂混合物特性的研究还处于初级阶段， 已有的研究成果还不能较系统的、全面的反应障碍物对含杂混合物爆炸强度的影响，从 现在发表的文献来看，研究者只集中在障碍物某一种特性上，例如关于障碍物形状的研 究只集中在圆形和板型等。而不同工作现场，障碍物数量，形状、阻塞率等特性特性因 素相差很大，故全面的、系统的了解障碍物对甲烷一煤粉混合物爆炸强度的影响，对于 防止我国煤矿事故的发生、采取相应的防暴措施，减轻爆炸强度是十分必要的。 本文在前人研究的基础上，根据标准自行设置了一套“可抽式障碍物爆炸管”系统装 置，分别在有、无障碍物时对煤粉一甲烷混合物进行了爆炸试验。主要进行了有、无障 碍物时管内混合物爆炸特性的实验。较系统的研究了爆炸波随时间的变化、障碍物形状、 数目、间距、阻塞比k 对爆炸压力和最大压力上升速率的影响规律；同时还对比研究了 有无障碍物存在时，粉尘浓度、粒径、甲烷体积分数对爆炸的影响，并将得到的实验数 据进行处理得到各自的变化曲线，定性分析出它们的变化规律。 障碍物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 l文献综述 近年来随着可燃气体和工业粉尘涉及到像石油、化工、纺织、冶会、煤炭丌采、粮 食加工和粉体的制备以及运输等各个行业和部门，可燃气体和粉尘的爆炸事故也频繁发 生，从而使得人们对可燃气体和粉尘爆炸进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果i l - 3 1 。 国内外早就对普通的可燃气体和粉尘的爆炸迸行了广泛的研究，研究内容涉及爆炸 理论和爆炸的影响因素等。如b a r t k n e c h t l 4 j 对密闭容器内的可燃气体和粉尘爆燃进行了 大量的实验研究，探讨了容器体积对可燃气体爆燃强度的影响，提出了立方根定律，该 定律己被国际标准i s 0 6 18 4 ”e x p l o s i o np r o t e c t i o ns y s t e m ”所采用。研究者还通过大量实 验研究了密闭容器中爆炸发展规律，建立了描述容器内爆炸发展过程的理论模型，比较 典型的爆炸模型有：等温模型，绝热模型和一般模型等1 3 j 。在此基础上，国内研究者通 过实验管道或巷道研究了可燃气体和粉尘爆炸机理、爆炸发展过程以及容器或管道的几 何尺寸、形状、物理性质等各种影响因素1 5 矧。如徐景德等1 9 _ m j 利用长5 1 8 m 的巷道研 究了瓦斯浓度、火源位置对瓦斯爆炸传播的影响，他还通过两条巷道研究出，瓦斯爆炸 传播过程中存在明显的尺寸效应；王汉良】等对丙烷空气爆轰波通过9 0 度弯管道时的 火焰速度及加速情况进行了实验研究，研究证明了弯曲管道对于爆燃与爆轰波火焰有明 显的加速作用：周凯元1 1 2 1 针对气体爆燃火焰在狭缝中的淬熄现象进行了研究，研究发现 了传播火焰与淬熄直径、淬熄长度之间的关系。郭长铭掣j 研究了气相爆轰波在阻尼管 道中传播时的衰减现象。费国云【1 4 - 1 5 利用实验巷道进行了瓦斯传播实验和瓦斯爆炸引爆 沉积煤尘的实验，初步研究了瓦斯爆炸沿巷道传播的规律和瓦斯爆炸引起煤尘爆炸的机 理。 由于近年来，煤矿事故无论数量还是爆炸损失都呈现日益增加的趋势，因此人们开 始注重对含杂混合物爆炸的研究，特别是关于甲烷一煤粉混合物爆炸特性的研究。含杂 混合物粉尘爆炸是可燃气体爆炸和粉尘爆炸的复合形式，它是指含有可燃气或可燃蒸汽 的粉尘爆炸。与普通粉尘爆炸或者可燃气体爆炸相比，含杂混合物粉尘爆炸具有以下特 点：【l 】具有更大爆炸强度；【2 】具有更短的爆炸时间；【3 】具有更广的爆炸范围；【4 】容 易发生二次爆炸。可以说，含杂混合物粉尘爆炸具有更高的破坏性，也更加难以防范。 特别当爆炸发生时如果有障碍物存在，则爆炸强度显著增加，危害明显更大，例如我国历 史上最严重的一次沼气、煤尘爆炸发生在1 9 4 2 年同本侵略者统治下的辽宁本溪煤矿， 死亡1 5 4 9 人，伤1 4 6 人，成为世界煤矿开采史上最大的伤亡事故，就是由于爆炸的介 质是甲烷一煤粉混合物，同时爆炸发生现场堆放了大量作业设备。 一般来说在密闭空 2 一 人连理i ：人学硕十学位论文 问内发生可燃气体和粉尘混合物爆炸事故时，爆炸空l j 内会沉积大量粉尘和充斥大量的 可燃气体，同时空问内会堆放了一些机械设备如塔、反应器等。因此，近年，国内外学 者更加关注障碍物存对含杂混合物粉尘爆炸的影响。如r i t s u ，m a s r i 等i l6 j 对管道内可 燃气体爆燃强度进行了研究，定性描述了障碍物形状对爆燃压力的影响。l b r a h i m l l 引介绍 了一套新的实验装置，研究了障碍物尺寸、阻塞率和泄放压力对预混火焰爆燃过程超压 的影响。实验设置的是单层的障碍物，阻塞率范围也只涉及1 0 到7 5 。实验发现，障 碍物的阻塞比不同，火焰的形状和传播速度也不同，最大超压通常随阻塞率的升高而升 高。但是有关障碍物对含杂混合物爆炸影响的研究还很不完善，还缺乏系统的实验研究 和成熟的理论，同时这方面的文献还比较少。 因为障碍物存在条件下含杂混合物粉尘爆炸可以看成一种含有可燃气体的粉尘爆 炸，障碍物的存在只是增加了爆炸的强度和速度，但它的实质却仍然是可燃气体一粉尘 混合物爆炸的一种特殊形式，它既是可燃气体的爆炸也是粉尘的爆炸，但与这两者又有 所区别。故气体爆炸和粉尘爆炸的理论可以作为研究障碍物存在条件下，含杂混合物粉 尘爆炸的基础。因为本论文以可燃性气体与空气混合物爆炸为研究对象，探讨和研究障 碍物存在条件下，气体爆炸过程的基本规律【i 引。 下面就分别介绍有关气体爆炸和粉尘爆炸的基本情况。 1 1 气体爆炸 1 1 1 爆炸的定义和分类 物质自一种状态迅速转变成另一种状态，或者从一种物质转变为其他物质，并在瞬 间放出大量能量的同时产生巨大声响的现象称为爆炸。 根据爆炸的性质，常分成物理爆炸和化学爆炸，物理爆炸是指爆炸过程中只发生物 理状态变化的爆炸，如锅炉爆炸、容器的剧烈破裂、雷电、地震、高速碰撞等。化学爆 炸是指爆炸过程中既有物理变化，又有化学变化的爆炸，如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉尘 爆炸等。 根据爆炸的传播速度，可将爆炸分为：爆燃( 燃烧) 、爆炸、爆震( 爆轰) 。爆炸与爆 轰最大的区别则是爆炸传播速度小于该物质中声速的传播速度，而爆轰速度则大于该物 质中声速的传播速度。 爆炸按发生爆炸时物质的物理状态又可分为：气相爆炸、液相爆炸和固相爆炸。 气体爆炸通常指的是可燃气体或蒸汽发生的爆炸，是最常见的一种爆炸形式。根据 爆炸源本身的特点，可将爆炸源分为两类：理想爆源和非理想爆源。 障僻物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 1 1 2 气体爆炸的条件、特征和影响因素 ( 1 ) 气体爆炸的必要条件 气体爆炸必须要有三个基本条件： 要有可燃气体，同时可燃气体应该处于一个“合适的浓度”范围内； 要有助燃性气体；要得到最大的爆炸效果，对一定的爆炸反应来说助燃气体的 浓度有一个合适的范围； 要有点火源，切点火能量要达到或者超过可燃气体燃烧的最少能量。 这里“合适浓度”指的是可以发尘爆炸的浓度。每种燃料气体在氧气或空气中，都有 一个可以发生爆炸的浓度范围，这个浓度范围叫爆炸极限。例如，甲烷的爆炸范围为 5 1 5 ，超出了可燃气体的爆炸极限，即使用再强的点火源也不能激发爆炸。 通常爆炸都离不丌助燃气。而氧气和空气就是最常见的助燃气体，爆炸气体中助燃 气体的浓度实际上是与可燃气浓度相对应的，过高和过低都不能发生爆炸。 每种可燃气体都有一个最低点火能量，当点火能量低于这个值时就不会发生爆炸。 可燃气体的点火能量很低，只有几十到几百微焦耳量级，因此极易被点燃。像常见的碳 氢化合物和空气混合气体的最小点火能量约为0 2 5 m j 量级。 ( 2 ) 气体爆炸的特征 气体爆炸具有三个主要特征 反应的迅速性。气体爆炸与燃烧过程的区别就在于爆炸过程具有较高的燃烧速 度。物质燃烧时燃烧速度比较慢，燃烧所产生的热量可通过热传导或辐射的形式散失掉， 而爆炸则几乎是在瞬间完成，所产生的热量在爆炸过程中基本上与外界没有交换，表现 出极高的化学反应速度。 容易生成气体产物。气体爆炸瞬间通常会产生强烈压缩状态的气体产物，这些 气体产物在膨胀过程中将化学能转化为机械能或气体运动的动能，气态物质的存在是气 体爆炸效应产生的先决条件。 反应的放热性。气体爆炸过程中由于反应物燃烧会产生大量的热量，这些热量 只有很少一部分损耗掉，大部分用来加热未燃气体，使未燃气体温度升高而被点燃，从 而促使反应释放出更多的能量。放热性是气体爆炸过程存在的必要条件，也是最显著的 特征之一。 ( 3 ) 气体爆炸的影响因素 可燃气体本身的性质 人连理l ：人学硕十学位论文 气体爆炸发生的几率和爆炸强度的大小在很大程度上取决于可燃气体本身的活性。 气体活性越强，分子扩散越快，则它爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度越大，产生爆轰 的可能也越大。 混合反应物中，可燃气体的浓度 对于预混气体来说，每种可燃气体发生爆炸时，并不是浓度越大爆炸强度越高，也 不是浓度越低爆炸强度越弱，只有预混气体中的可燃气体浓度处于其上、下可燃极限之 问才能发生爆炸，可燃气体的浓度越接近上、下可燃极限，燃烧速度越低，超压越小， 同时，在一个特定的浓度，可燃气体出现最大爆炸强度。在密闭容器中，当燃料以上、 下极限的比例与空气混合并且燃烧时，其爆炸超压是初始压力的4 5 倍；当燃料与空气 以化学配比混合燃烧时，爆炸超压一般为初始压力的7 - 9 倍1 2 0 。 点火能量 足够的点火能量是可燃气体发生爆炸的三个要素之一。一般将点火能量分为强点火 和弱点火。强点火，如雷管、炸药和雷电等，这种情况下可燃气体爆炸则会直接发生爆 轰2 。弱点火，如静电、火花等引发。工业生产中，可燃气体爆然大多由弱点火引起的， 在工业安全技术中，气体爆炸的最小点火能量e m i n 是模拟气体点火敏感度的一个重要参 量。 可燃气体爆炸的环境 可燃气体爆炸时，如果环境不同则爆炸强度相差很大。其中环境是否有约束、爆炸 环境中是否有障碍物、环境的压力、以及环境的温度等爆炸产生很大影响【2 2 1 。例如，可 燃气体爆炸是在有障碍物或外部有约束的区域形成的，则爆炸时产生的爆炸超压和火焰 速度较大，它潜在的危害也较大。因此，在预测可燃气体爆炸危害的时候，一定要考虑 可燃气体爆炸发生的环境。 1 1 3 气体爆炸的基本参数 能够表征气体爆炸特征的参数主要有定容爆炸力、压力上升速率、火焰速度、燃烧 速度、绝对火焰温度、点火能量及点火温度等。 ( 1 ) 定容爆炸压力 理论上定容爆炸是指在刚壁容器内瞬间整体点火，且体系绝热，即不考虑容器壁的 冷却效应与气体泄漏而带走的热损失情况下的爆炸，因此定容爆炸压力应当是爆炸最高 压力。由于_ 般的混合气体爆炸前后的摩尔数变化比较小，所以实际上定容爆炸压力值 主要取决于火焰温度。 ( 2 ) 爆炸压力上升速率 障甜物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 爆炸压力上升速率定义为压力一时问曲线上升段拐点处的切线斜率，即压力差除以时问 差的商。它是衡量火焰传播速度的尺度，也就是衡量气体爆炸强度的标准。爆炸压力上 升速率越快，爆炸产生的破坏力越大。爆炸压力上升速率主要与燃烧速度和反应容器体 积有关。爆炸性混合气体的燃烧速度越快，其爆炸压力卜升速率越大，反应容器的容积 越小，其爆炸压力上升速率越大。压力上升速度是衡量爆炸效应的参量，是防火防爆设 备强度设计的重要依据。 ( 3 ) 火焰速度和燃烧速度 火焰相对于前方已扰动气体的运动速度叫燃烧速度，它与反应物质有关，是反应物 质的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度。火 焰速度则是相对于静止坐标系的速度，它不是燃料的特征量，而取决于火焰阵面静气流 的扰动情况。混合气体的燃烧速度和火焰速度是与爆炸猛烈程度直接相关的参量，燃烧 速度大的气体具有大的危害性和破坏性。其中燃烧速度较难测量，而火焰速度则较易测 量。在极端情况下，由于火焰加速而使燃烧转变为爆轰，达到最大破坏效应。 ( 4 ) 绝对火焰温度 绝对火焰温度计算虽然烦琐，但不困难，利用现有化学热力学和化学关于物质和能 量平衡的知识和数据，可以得到相对满意的计算结果。绝大多数气体馄合物系统的引燃 温度范围大体上是在9 0 0 10 0 0 k ，而可燃气体的浓度对火焰温度影响很大。 ( 5 ) 点火能量及点火温度 气体爆炸的三要素之一就是具有足够能量的点火源，当混合气体从点火源获得超过 某一阀值的能量时，就被点燃着火，大多数可燃气体混合物系统的引燃温度范围大体上 是在9 0 0 - 1 2 0 0 k 。这说明，低于此温度，火焰就不能层层点火，即不能自动传播。 1 1 a 气体爆炸过程中燃烧与流动的正反馈关系 气体爆炸过程是一个化学反应流动过程。几乎所有的气体爆炸过程中气体流动状态 是湍流流动，国内外众多研究学者均将气体爆炸作为湍流燃烧过程处理。一方面，由于 气体湍流流动增加了燃烧波面与未燃气体的接触面积，从而增加了气体化学反应速度。 另一方面，较快的化学反应速度反过来又影响气体流动过程。因此，在气体爆炸过程中， 气体反应过程和流动过程是密切相关的，燃烧和气体流动是相互祸合、相互正反馈的关 系1 2 3 - 25 ，图1 1 表示了这种正反馈关系。 在理论研究方面，特别是数值模拟研究方面，只有建立能够全面描述气体爆炸过程 中燃烧与流动的正反馈关系的理论模型，才能实现对气体爆炸过程的理论求解。 人迮理l ：人学硕十学位论文 图1 1气体爆炸过科中流动与燃烧的止反馈关系 f i g1 1 i n t e r r e l a t i o no ff l o wa n dc o m b u s t i o ni ng a se x p l o s i o np r o c e s s 1 1 5 气体爆炸的机理 ( 1 ) 火焰加速传播的机理 当密封体的长径比l d 较大且内部有较密集的隔板和设备等障碍物时，经常会发生 爆燃转爆轰现象，气体爆炸压力和火焰传播速度突然升高，导致较为严重的破坏后果。 这种现象的发生表明在气体爆炸过程中，火焰传播速度得到极大提高，火焰加速是爆轰 d n 发生的很重要的因素之一。由于其重要性，国内外很多学者对火焰传播机理进行 了研究，大部分研究主要集中于可燃气体湍流流动和燃烧的关系方面。 通过实验研究者考察了障碍物对气体爆炸过程的影响。如加拿大的m c g i l l 大学、 美国的伊利诺斯大学和荷兰t n o 实验室等许多研究机构研究了障碍物引起的火焰加速 现象1 2 6 1 。结果表明，障碍物对火焰的褶皱作用会引起层流火焰表面湍流化，使火焰加速。 林柏泉等利用瓦斯爆炸实验装置测定了瓦斯爆炸过程中的超压、温度和火焰传播速度。 实验结果表明，障碍物极大地加速了密封管内爆炸的火焰速度。气体流动在障碍物下游 形成湍流，当火焰到达湍流区时，燃烧速度得到极大增强，结果导致较高的燃烧速率和 压力增长速率。因此，很多学者认为，气体爆炸过程中火焰加速主要是由于燃烧过程中 受到湍流流动的影响，这种理论被称为“湍流化机理”【2 7 j 。 研究者对气体爆炸过程中燃烧与流动的关系进行了实验研究1 2 酗引。例如，通过比较 有、无固壁界面时火焰传播速度、火焰形状的差别，研究发现，无障碍物时，甲烷空 气混合物的稳定湍流火焰速度不超过二十米每秒；但当有障碍物存在时，湍流火焰速度 大大增加。在有固壁界面存在时，未燃气流的剪切速度加快，如果同时还存在障碍物， 火焰将进一步发生畸变，流场不再是径向对称了。在火焰未到达障碍物之前，未燃混合 障甜物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 物的平移流动就建立了速度梯度场和围绕障碍物的伴随流场，当火焰到达障碍物时，随 着火焰沿速度梯度场的汇聚，火焰表面被迅速拉伸，在尾迹流中剪切层使局部燃烧速度 得到相当程度的增大。随着火焰阵面在速度梯度场中传播，并发生“伸长和折叠”。火焰 的变形将在一个较大表面上消耗燃料和氧气，导致热释放率的增加，火焰传播速度加快， 较高的燃烧速度导致了火焰前面未燃混合物较大的平移速度，这又会引起流场梯度的进 一步增大，导致了更强烈的火焰伸展和折叠，进而又使火焰速度加快，最终将导致爆轰 产生，形成了气体流动与燃烧过程之问的正反馈。研究者认为，气体爆炸过程中气体流 动与燃烧的f 反馈关系是气体爆炸火焰加速传播的机理。 火焰加速的另外一个可能的机制是，火焰阵面前未燃气体因前驱冲击波作用而被加 热和压缩，这也是一种使火焰加速到爆轰的f 反馈机制。由于温度和压力对气体燃烧速 度的影响不是很大，因此，这种反应机制对火焰早期加速阶段可以起作用。 ( 2 ) 爆炸波的传播特性 密闭空间气体爆炸释放出大量的能量，使爆炸产物具有较高的压力和温度，高温高 压爆炸产物压缩未燃气体并迅速向未燃区膨胀，膨胀的爆炸产物像活塞一样压缩未燃气 体而在火焰前方形成冲击波。此后，由于湍流加速火焰，火焰面迅速追赶爆炸波。工业 上比较常见的密闭空间气体爆炸主要有爆燃和爆燃转爆轰型的爆炸。 爆燃。密闭容器中可燃气体的爆炸发展过程，实质上是燃烧的快速发展的过 程，属于伴随有化学反应的不定常流动过程。这种燃烧是不稳定的，因为容器中的状态 在爆炸发展过程中随时间不断变化，所以这种燃烧常常被称为爆燃或爆炸。图1 2 表示 球形密闭容器中典型的气体爆炸压力波形，从此压力波形可看出，爆炸过程分三个阶段 3 4 1 o 曲爆炸压力上升阶段。相当于图1 2 的i 区。此阶段的特点是爆炸反应放出大量 的能量，使爆炸温度和压力不断升高，而压力上升速率则与化学反应动力学和燃烧速度 有关。 b ) 爆炸压力高值区。相当于图1 2 的i i 区。当反应放出能量等于向周围传播而损 失的能量时，爆炸压力曲线出现较高值，此值大小与化学反应热效应和热力学有关。 c ) 爆炸压力衰减区。相当于图1 2 的i i i 区。当反应放出的能量小于向周围热传导 而损失的能量时，压力开始逐渐下降。能量的散失主要是由于容器壁面的冷却效应和气 体泄漏而带走能量所致，因此压力衰减的快慢应考虑热传导和可压缩气体的泄漏。 一8 人迮理l ：人学硕十学何论文 p - 卜一一卜t li l ： i， l 、 l ；l i 图1 2 球形密f j j 容器中气体爆炸压力波形图 f i g 1 2 s h c o kw a v eo fg a se x p l o s i o nv e r s u st i m ei ns p h e r i c a lv e s s e l 爆燃转爆轰型的爆炸 在长径比l d 较大( l d 5 ) 且内部有较密集的隔板和设备等障碍物的密闭体内，点 火后，火焰的传播会引起火焰前面的气体运动，这种气体运动能在障碍物处产生太尺寸 的湍流。这种湍流可引起有效火焰面积的迅速扩大，扩大的火焰又会引起压力更快升高 和湍流火焰的进一步相互作用。这个过程可以导致封闭体内某些局部气相爆轰，这些局 部点的压力会突然升高，可达1 5 m p a 左右，这就可能造成局部性的严重破坏，且这种 局部破坏往往发生在离起爆点较远处。这类爆炸通常能产生强冲击波和高速破片，因而 对外部环境的破坏比单纯超压爆炸要大。 ， 1 1 6 气体爆炸的实验研究 自从1 9 世纪初以来，研究者就开始了对容器和管道内可燃气体爆炸的实验研究。 近年来，研究者在前人工作的基础之上，对容器和管道内的可燃气体爆炸进行了大量深 入的研究，实验主要涉及到了障碍物对火焰传播加速的影响、爆燃转爆轰过程等方面内 容。下面介绍其中比较重要的研究成果： o h 等1 3 5 j 在内置障碍物的方型容器中进行了一系列的实验。实验结果表明，在密闭 容器中，容器内最终的爆炸压力和总体的压力上升速率不受内置障碍物阻塞率的影响， 只与混合气体的浓度有关。而对于内置障碍物的开口容器来说，由于障碍物之后旋涡动 量的影响，致使越过障碍物后的火焰速率有所减小，随着旋涡的破碎和火焰阵面的拉伸， 火焰的湍流和热扩散导致障碍物后面的火焰传播再次加速。同时，研究者还指出在丌口 容器的爆炸中内置障碍物的阻塞率是一个非常重要的参数，它对火焰的传播速率和爆炸 压力有很大的影响。 障碍物对甲烷一煤粉爆炸强度影响的实验研究 周凯元等t 3 6 j x 寸直管道内无障碍物的情况进行了研究。得出结论，对于相等的点火 距离( 即火焰加速段的长度) ，密闭端点火比丌口端点火的火焰速率大5 倍以上；对于相 同的气体和点火距离，较小管径的管道中火焰的传播速率也较小，管径较大加速度也较 大；点火能量的影响仅限于火焰传播初期。研究者还对管道中设置加速环的情况进行了 实验研究，实验结果表明，管道内障碍物对火焰加速率的影响主要取决于加速环的个数， 而环问距的影响居次要地位。在同样的点火条件下，当管内有障碍物( 加速坏) 时，与没 有障碍物时相比，火焰速率提高了6 7 1 7 7 ，并且点火能量的影响仅限于火焰传播的初 期。以上实验均在激波管中进行，管道内壁光滑，其结果比较理想，然而对于一个内壁 产生腐蚀或被污垢污染并有大量凸起物附着在内表面的管道，将会比一个具有光滑内壁 的管道产生更大的火焰加速度。目前，还没有人在这方面进行定量的研究。 桂晓宏等【37 j 进行了一系列管道内瓦斯爆炸的实验研究，根据实验结果发现，随障碍 物数量的增加，火焰的传播速率明显增大，障碍物对火焰的传播速率有显著的加速作用。 在障碍物数量相同的条件下，长径比为2 0 时的火焰速率最大，同时管道内没有障碍物 的情况下，也可得出同样的结论。 研究者1 3 剐还发现冲击波阵面的强度与火焰的速率有关，即当火焰速率小于1 0 0 m s 时，超压较小，反映出冲击波阵面的强度较弱，此时冲击波可近似处理成声波，引起的 结构破坏较小；一旦火焰加速达到2 0 0 m s 时，则会引起严重的湍流效应，这种高速火 焰的压力波引起的爆炸波的破坏效应与爆轰波产生的破坏效应相当，产生结构性破坏的 程度很高。以上这些数据和结论对抑制管道内瓦斯爆炸大有帮助。 m a s r i 等进行了一系列管道内可燃气体的爆炸实验，综合研究了障碍物的形状、尺 寸和阻塞率对管道内可燃气体爆炸过程的影响。障碍物形状包括圆形、三角形、方形、 菱形和平板，阻塞率范围在1 0 7 5 。研究结果表明：( a ) 障碍物的形状对火焰初始发展阶 段的影响不大，火焰接近障碍物时的燃烧速度大约是层流燃烧速度的1 5 倍；m ) 由于 障碍物形状不同，火焰阵面前的未燃气体流动扭曲程度也不同，扭曲导致火焰在障碍物 与容器侧壁之问的喷射，扭曲程度不同导致障碍物后的旋涡流速大小不同；( c ) 在各种 形状的障碍物中，矩形横截面障碍物引起最大的火焰加速，而圆形横截面障碍物则引起 最小的火焰加速，对于存在圆形横截面障碍物的湍流燃烧，绕流后的火焰重新连接相当 迅速，持续时间极短，所以障碍物后的火焰加速较低：( d ) 爆炸过程中的最大超压通常随 阻塞率的增大而升高，但升高的比率取决于障碍物的几何形状，在各种形状的障碍物中， 平板形障碍物引起的超压最高，圆柱形障碍物最低。由此可见，障碍物的几何形状、阻 塞率对可燃气体爆炸过程具有很大的影响。 一1 0 人连理i ：人学硕十学位论文 n e t t l e t o n 在其管道内可燃气体爆炸的实验中得出一个基本结论，在爆燃转爆轰的过 程中，压力和火焰阵面的速度都达到最大值。 c h r i s t o p h 采用内径6 9 m m ，壁厚1 0 m m ，长2 5 m 的透明聚酸酯管定量分析了按化学 计量组成的预混气体发牛的爆燃转爆轰过程，并拍摄到爆燃转爆轰的图片。由测定的结 果得出的基本结论是：( a ) 爆燃转爆轰的过程发生在大约一个管径的很短范围内；( b ) 对 于丙烷来说，在紧临转爆点的火焰阵面的速度不超过2 3 0 0 m s ，对乙烯来说不超2 9 0 0 m s ， 对氢气来说不超过2 5 0 0 m s ；( c ) 在爆燃转爆轰过程中，与火焰亮度的瞬问增加相比，火 焰阵面速度增加相对平缓在正负5 个管径的范围内只增加最大火焰速度的2 0 。 1 2 粉尘爆炸 1 2 1粉尘爆炸的定义和条件 ( 1 ) 粉尘爆炸的定义 m 赫茨贝格和k l 凯什多勒对爆炸是这样定义的【3 9 l ，爆炸是一种以系统压力快速 升高产生破坏性压力为特征的气体动力现象。粉尘爆炸是可燃性粉尘在空气中浮游，当 一种火源给予一定的能量后发生的爆炸。煤矿坑道中的煤尘爆炸就是较典型的粉尘爆 炸。粉尘爆炸时，在空气中扩散的粉尘颗粒的快速化学氧化通常导致能量快速释放，使 系统温度迅速上升，压力随之增加。粉尘之所以爆炸，是因为作为反应物的可燃粉尘颗 粒具有很小的直径和大的表面积，如面粉，其颗粒相当细小，当它飞散开来悬浮在空气 中时，与空气有着极大的接触面积，因而特别容易着火。一旦有火焰或火星存在时，靠 近火源的面粉首先受热燃烧起来，产生了