受限空间瓦斯爆炸传播规律数值模拟研究

摘要

瓦斯爆炸是煤矿安全的重大隐患之一,在受限的巷道空间内瓦斯爆炸会产生高温高压,对作业空间内的人和设备会造成极大损害,导致灾难性后果。因此,研究瓦斯在受限空间的爆炸对于预防矿井瓦斯爆炸或减小瓦斯爆炸的损失具有重要的现实意义。
　　 在理论分析和借鉴前人研究成果的基础上建立了描述瓦斯在受限空间内爆炸的物理模型和数学模型,并且给出了数值模拟的初始条件和模型的边界条件。采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation)来模拟瓦斯-空气混合气体的爆炸过程,使用SIMPLEC算法来处理爆炸过程中压力和速度的关系,并且使用不平衡函数法处理了壁面附近的流场,提高了数值模拟的精度。为了精确捕捉瓦斯爆炸中流场和火焰阵面的变化,在模拟过程中使用了以温度为标准的网格自适应加密技术。
　　 分别对密闭直管道和密闭分岔管道中的瓦斯-空气混合气体爆炸过程进行了数值模拟,重点研究了爆炸过程中火焰和冲击波的传播过程。混合气体被点燃后,火焰从点火源向管道末端传播,随着传播的进行管道内的温度和压力不断增加,当火焰传播到管道末端时爆炸结束,此时管道内的压力达到最大值。
　　 混合气体在分岔管道中爆炸后火焰的传播受到了障碍物式的诱导,形成了障碍物诱导的湍流对火焰传播的正反馈机制。在分岔处火焰的温度和冲击波压力都大幅上升,而且支路分岔的温度和压力要比主路分岔的大;对比了直管道和分岔管道中的火焰和压力变化,当爆炸结束后分岔管道内的温度和压力都要比直管道中的大。
　　 通过模拟瓦斯在密闭管道中的爆炸过程,并将模拟结果与公开发表过的著作或期刊上的数据进行对比,表明了本文模拟的效果较好,可以为矿井的巷道布置和减小瓦斯爆炸灾害的损失提供一定的指导意见。