瓦斯爆炸对长通道内湍流流场影响的实验研究

瓦斯爆炸对长通道内湍流流场影响的实验研究

在采矿和开采过程中，发生了以甲烷为主要成分的各种有害气体的总称，这是危害煤矿安全生产的主要自然因素之一。屋顶爆炸是最严重的矿山事故之一。为了预防和控制瓦斯爆炸,国内外学者进行了大量的研究,取得了很多丰硕的研究成果,但仍有许多未及之处。瓦斯爆炸过程是一个复杂的物理化学过程,爆炸所产生的压力波引起空间中湍流强度增加,湍流引起的能量、动量交换直接影响着燃烧反应速度,而燃烧反应速度的改变又会引起压力波的变化,这三者之间有着错综复杂的联系。通过实验对狭长通道内瓦斯爆炸过程中压力波、火焰波和湍流流场之间的相互联系进行了研究。1爆炸波无明显化合物a实验装置主要由爆炸管道、电子脉冲点火器、循环搅拌系统、动态测试系统、瓦斯浓度检测仪、流量计等组成,结构如图1所示。爆炸管道由200mm×200mm×4m的方形激波管改造而成,管道内无明显障碍物,密封性能良好。起爆方式采用电子脉冲点火,点火能为4J,起爆点在距A端盖6cm处的管道中心位置。实验中,使用2个压阻式压力传感器测量爆炸波的压强变化,1个传感器位于距A端0.5m的侧壁上,另1个在B端中心位置,2个传感器的应变膜均与管道内壁齐平。实验中,首先通过流量计计量,充入一定量的瓦斯气体,使用空气泵循环约10min,静置2min;然后使用瓦斯检测仪分别在两端和中部测量实际瓦斯浓度,若3点测量浓度差<0.2%,则认为瓦斯已混合均匀。爆炸发生后,通过2个传感器所测压强变化数据对爆炸波、火焰波以及湍流间的作用机理进行分析研究。2压力波和激波、d点之间的垂直关系实验结果如图2所示,其中0点处的压强突变为脉冲点火时的电磁干扰信号。从图中可以看出,2点的压强变化趋势是一致的:在反应初期,压强的增加较为缓和;在某一时刻后压强增速放缓(此时D点的压强不足0.2MPa),然后突增至0.65MPa(D点)。由图3可以看出,压力波在两端面间反射振荡过程中,波峰的升压段被不断的压缩,在某一时刻(该次实验约为934ms)出现了极陡的压力梯度,在<0.5ms的时间内,压强由0.23MPa攀升到0.65MPa,压力波转化为激波,以极高的速度(1000m/s以上)在通道空间中往复振荡。在煤矿巷道中若出现激波,不仅会对巷道内的建筑、设备造成严重破坏,而且激波引起的高强度湍流扰动也会扬起并引爆巷道中的煤粉,引起2次爆炸。3流场中主要影响波的相互作用通过对C、D点压强变化规律的对比可以看出,狭长通道中的瓦斯爆炸过程可以分为3个阶段:缓慢燃烧段(0~142ms)、湍流发展段(142~592ms)和激化振荡段(592ms以后),如图4所示,各部分的压力波、火焰波以及湍流流场之间的相互作用规律也各不相同。这种规律性在多次重复实验以及张英浩等的实验中同样出现,具有可重复性,如图5所示。3.1动动力动设计在缓慢燃烧段中,C、D点的的压强大小相同、变化规律一致,且没有表现出明显的波动,如图6所示。这是由于在反应初期,瓦斯燃烧速度较慢,由此产生的压力波强度很小,同时这些压力波在通道内传播过程中也在不断耗散,最终均匀分散于整个空间,未能形成持续有效的振荡,燃烧速度主要由链化学反应决定,因此称该阶段为缓慢燃烧段。3.2瓦斯先进的湍流特性在某一时刻后(该次实验为142ms,此时火焰峰面在距A端面约0.5m处,压力陡降为高温火焰对传感器的干扰),2个传感器的压强变化出现了明显的分歧,如图6所示,瓦斯爆炸进入湍流发展段。在这一阶段中(该次实验为142~592ms),如图7所示,通道内各点的压强产生了明显的差异,同时也表现出了较大的波动性,压强呈近似的线性增加。随着燃烧反应的进行、通道内的湍流强度也不断增加,湍流引起的质量和能量交换对燃烧反应产生了较大的影响,抑制了链化学反应速度的增加,使火焰波以稳定速度传播,各点压强呈近似线性增长。在这一阶段,燃烧速度由链化学反应和湍流强度共同决定。3.3多次透过火焰峰面在某一时刻后(该次实验为592ms),如图8所示,各点压强先是保持不变,然后出现明显、有规律的振荡,随后振荡加强,最终形成激波。随着管道内湍流强度的不断增加,燃烧反应速度降低,火焰峰面以很小的速度行进甚至出现短暂停滞、后退,各点压强不再发生变化,产生局部高温区域。燃烧所产生的压力波在两端面间反射的过程中,多次穿过火焰峰面,压力波与火焰波之间也产生了相互影响:压力波波峰穿过火焰波时,加快了已燃气体和未燃气体的混合,提高了化学反应速度,引起局部温度急剧上升;温度的快速升高不仅增加了压力波的振幅,也加速了压力波的传播速度;但是,在温度升高的过程中,压力波依次穿过该区域,各部分的速度产生差异:先通过的速度增加量小,后通过的增加量大,这就使压力波波峰出现压缩现象;波峰之后,波谷到达火焰波,阻碍了质量和动量交换,也降低了火焰波中的反应速度。因此,在穿过火焰波后,压力波的振幅和波速均得到较大增加,并且压力波波峰的上升段被压缩,如图9所示。多次穿过火焰峰面后,波峰变得越来越陡,完全合并时就产生了具有极陡压力梯度的激波。激波在通道内往复振荡过程中,加速了未燃气体与已燃高温气体的混合,最终使剩余的瓦斯气体完全燃烧,高温火焰波抵达B点(960ms处的干扰信号)。在这一阶段,燃烧速度主要取决于湍流引起的质量和能量交换。4发展现象在油气等乡村(1)湍流流场对瓦斯爆炸波的发展具有一定的抑制作用,该结论同样适用于油气等可燃气体。通过改变通道内的流场并增加抑爆介质,可以有效的降低爆炸压力、减小爆炸波的破坏能力。(2)狭长通道内的瓦斯爆炸过程可分为3个阶段:缓慢燃烧段、湍流发展段以及激化振荡段,这种阶段性发展现象在油气等可燃气体爆炸中也同样存在。(3)在狭长通道内瓦斯爆炸波发展的3个阶段中,湍流流场、压力波及火焰波之间有着紧密的联系和影响。(1)在缓慢燃烧段,燃烧反应速度主要有链化学反应控制,湍流强度、压力波和火焰波之间的相互影响较小,通道内各点的压强分布均匀,没有明显的波动性;(2)湍流发展段中,燃烧反应速度由链化学反应和湍流强度共同决定,湍流对燃烧起抑制作用,在湍流强度和压力波的影响下,火焰波呈近似匀速行进,通道内各点压强出现差异,但均呈近似线性增加,有较明显的波动性;(3)激化振荡段中,燃烧反应速