有机玻璃方管内瓦斯爆燃火焰传播特性研究

摘要

目前煤炭在我国能源结构中占主导地位，近年来我国煤矿瓦斯爆炸灾害经常发生，尽管很多矿井采取了主动式的瓦斯抽排放技术，但这并不意味着不需要对瓦斯爆炸现象进行研究，主动措施一旦失效后，被动的预防和控制措施显得尤为重要。一些国有大中型煤矿尽管在矿井巷道中布设了隔爆棚、隔爆水袋，瓦斯爆炸发生后这些阻隔爆装置往往达不到应有的效果，甚至失效，从某种程度上说明，人们对瓦斯爆炸机理、火焰加速传播机制以及火焰传播特性等方面存在认识上不足。对瓦斯爆炸现象的研究通常采用大尺寸模拟巷道或小型实验管道，大型模拟巷道比较接近真实矿井，但由于其成本较高、场地限制、现场测试困难等因素，很多学者更倾向于在实验室里搭建实验管道以研究瓦斯爆炸火焰传播规律。小型管道和大型巷道内瓦斯火焰加速机制、爆燃波的传播特性是一致的，它们之间存在一定“尺寸效应”。
　　 为了揭示管内瓦斯火焰传播机制及障碍物诱导瓦斯火焰加速机制，本文采用高速摄像、光电传感器、压力传感器、微细热电偶等实验手段测试了长1.5m、截面100×100mm2有机玻璃方管内瓦斯爆燃火焰传播图像、传播速度、爆燃压力、瞬态温度等传播特性参数。分析了无障碍物、重复障碍物、立体障碍物以及典型非金属粉 末等条件下管内瓦斯爆燃火焰运动特征和传播特性。采用实验研究结合数值模拟和理论分析的研究方法，较为详细地研究管内瓦斯爆燃火焰传播特征和传播规律。本文主要研究内容和结论体现在以下方面:
　　 首先采用爆炸理论、动力学系数法、第一强度理论等对有机玻璃管道强度进行了校核，证实管道抗爆性能满足要求;通过ANSYS软件对典型爆炸载荷下管壁动态响应进行模拟研究，发现方形有机玻璃管破坏主要表现在纵向中心线位置的拉-剪破坏，以及内壁面棱边位置的剪切破坏作用。
　　 采用高速摄像、光电传感器和压力传感器等实验手段研究了典型浓度下无障碍物、重复障碍片、立体障碍物情形下管内瓦斯火焰阵面位置、火焰传播速度和燃烧压力变化规律。分析了无障碍物下管内火焰光信号-压力信号关系，推导了无障碍物下化学当量的瓦斯火焰传播速度和燃烧压力耦合式，认为火焰阵面位置-时间关系吻合GaussAmp拟合曲线较好。通过4种重复障碍片和5种立体障碍物下管内瓦斯火焰传播参数测试，认为重复障碍片的阻塞比对火焰传播参数增加贡献相对于障碍片个数和间距要大;对于单个立体障碍物，平板、三棱柱加速火焰程度较大，长方体、四棱柱次之，而圆柱体增加程度最小;分析认为立体障碍物表面有突变棱边或表面的不规整性，是激励火焰加速的重要原因，同时认为火焰传播初期前置障碍物对其有一定阻碍作用。
　　 文中从不同浓度、不同类型障碍物、不同开口约束材料等条件下研究了半开口管道内瓦斯爆燃压力分布规律，认为管内爆燃压力从点火端开始增加，传播到管子中部附近有脉动现象，靠近开口处压力迅速下降;实验表明，泄压面积一定条件下，管内瓦斯爆燃压力大小与封口材料的厚度和抗拉强度均有关，材料越厚、抗拉强度越大，其管内瓦斯爆燃压力值也越大，而封口材料破裂常数Kb是衡量其破裂难易程度的重要参数。
　　 采用光电传感器、压力传感器和微细热电偶等测试手段探讨了内铺煤粉和石粉两种典型非金属粉末影响管内瓦斯火焰传播机制，认为活性的煤粉与瓦斯火焰形成瓦斯-煤粉复合火焰，使得化学反应区宽度增加，在测点处瞬时温度曲线呈现出较为明显的“双峰结构”;有无煤粉时管内燃烧压力峰值差别不大，但有煤粉时压力脉冲宽度增加;内铺石粉时燃烧压力峰值、压力脉冲宽度相对无粉末情况会减小，说明石粉有效抑制瓦斯火焰传播过程。
　　 采用Fluent软件模拟9.5％浓度、放置40％阻塞比的五种立体障碍物情形管内瓦斯爆燃火焰传播特性参数，定性分析了不同形态立体障碍物加速火焰程度和加速机制。采用Matlab软件等瓦斯火焰图像进行去噪和增强处理，使得火焰特征和细节部分凸显出来，同时采用该软件提取火焰轮廓，进而较为精确计算出火焰阵面位置和火焰传播速度，并基于RGB三色模型初步分析了火焰图像RGB值与热电偶温度之间关系。
　　 本文研究对揭示管内瓦斯爆炸波传播规律、障碍物激励瓦斯火焰传播机制等，具有重要的科学意义;对减轻、控制矿井瓦斯爆炸灾害的发生和发展，以及优化现有阻隔爆技术，具有重要的应用价值。同时对设计较为合理的工业可燃气体输运管道结构、提出较为合理的阻火抑爆措施等方面具有重要的理论指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和研究意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．3 课题主要研究内容

1．4 课题研究特色与创新之处

1．5 课题研究技术路线

第2章 管内可燃气体燃烧与爆炸基本理论

2．1 引言

2．2 基本概念

2．2．1 缓燃、爆燃与爆轰

2．2．2 火焰传播速度与燃烧速度

2．2．3 化学计量浓度与最佳浓度

2．2．4 可燃气体爆炸极限

2．2．5 绝热燃烧温度

2．3 管内可燃气体传播火焰阵面形态

2．4 管内可燃气体火焰传播影响因素

2．5 障碍物诱导管内气体火焰加速传播机制

2．6 管内声波振荡效应引起火焰不稳定传播

2．7 本章小结

第3章 有机玻璃爆炸火焰加速管强度设计及ANSYS动力学分析

3．1 引言

3．2 有机玻璃爆炸火焰加速管强度设计

3．2．1 基于爆炸理论知识的管壁爆轰反射压力估算

3．2．2 基于动力学系数的等效静载荷计算

3．2．3 基于最大拉应力理论的管道壁厚校核

3．3 有机玻璃管道内载爆炸波动态响应的ANSYS模拟分析

3．3．1 数值模拟条件

3．3．2 模拟结果

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

第4章 无障碍物下管内瓦斯火焰传播现象及火焰传播参数理论分析

4．1 引言

4．2 实验测试系统

4．2．1 火焰加速管

4．2．2 高速摄像机

4．2．3 光电传感器

4．2．4 压力传感器

4．2．5 配气装置

4．2．6 点火装置

4．2．7 数据采集装置

4．3 无障碍物下管内瓦斯火焰高速摄像分析

4．4 无障碍物下管内瓦斯火焰光电信号与压电信号分析

4．5 无障碍物下管内瓦斯火焰传播速度分析

4．6 无障碍物下管内瓦斯燃烧压力分析

4．7 无障碍物下管内瓦斯火焰传播速度实验拟合式

4．8 无障碍物下管内瓦斯火焰传播速度与燃烧压力理论耦合式

4．8．1 火焰传播速度与燃烧压力耦合式推导

4．8．2 参数取值及火焰传播速度估算

4．9 本章小结

第5章 内置重复障碍片和单个立体障碍物情形管内瓦斯爆燃火焰传播特性研究

5．1 引言

5．2 实验系统及障碍物类型

5．3 不同形态障碍物下瓦斯爆燃火焰传播的高速摄像分析

5．3．1 重复障碍片下瓦斯爆燃火焰传播的高速摄像分析

5．3．2 立体形态障碍物下瓦斯爆燃火焰传播的高速摄像分析

5．4 不同形态障碍物下瓦斯爆燃火焰传播速度分析

5．4．1 内置重复障碍片时瓦斯爆燃火焰传播速度

5．4．2 内置单个立体障碍物时瓦斯爆燃火焰传播速度

5．5 不同形态障碍物下瓦斯爆燃压力分析

5．5．1 内置重复障碍片时瓦斯爆燃压力

5．5．2 内置单个立体障碍物时瓦斯爆燃压力

5．6 本章小结

第6章 有机玻璃方管内瓦斯爆燃火焰压力分布研究

6．1 引言

6．2 实验设计

6．3 管内瓦斯爆燃压力分布研究

6．3．1 不同浓度下管内瓦斯爆燃压力分布

6．3．2 不同障碍物下管内瓦斯爆燃压力分布

6．3．3 不同开口约束下管内瓦斯爆燃压力分布

6．3．4 不同测点处爆燃压力分布

6．3．5 不同时刻管内瞬时爆燃压力分布

6．4 本章小结

第7章 内置单个立体障碍物方管内瓦斯爆燃火焰传播特性FLUENT模拟分析

7．1 引言

7．2 理论模型

7．2．1 基本方程组

7．2．2 湍流模型

7．2．3 燃烧模型

7．2．4 壁面函数

7．2．5 数值求解方法

7．3 数值模拟

7．3．1 模拟环境

7．3．2 建模方案及网格划分

7．3．3 初始条件及边界条件

7．3．4 点火处理

7．4 模拟结果与分析

7．4．1 管内瓦斯爆燃火焰传播速度模拟结果与分析

7．4．2 管内瓦斯爆燃压力模拟结果与分析

7．5 本章小结

第8章 典型非金属粉末对方管内瓦斯爆燃火焰传播影响研究

8．1 引言

8．2 实验设计

8．3 典型非金属粉末下管内瓦斯瞬态火焰温度分析

8．4 典型非金属粉末下管内瓦斯火焰阵面位置和火焰传播速度分析

8．5 典型非金属粉末下管内瓦斯燃烧压力分析

8．6 煤粉和石粉影响瓦斯火焰传播机制的讨论

8．7 本章小结

第9章 管内瓦斯爆燃火焰图像Matlab处理分析

9．1 引言

9．2 管内瓦斯爆燃火焰Matlab图像增强原理

9．2．1 小波分析基本概念

9．2．2 小波图像增强原理

9．2．3 彩色图像轮廓线提取原理

9．3 管内瓦斯爆燃火焰Matlab图像处理过程

9．3．1 爆燃火焰去噪增强处理

9．3．2 爆燃火焰轮廓(火焰前锋)提取

9．3．3 爆燃火焰传播速度计算

9．4 基于RGB模型的管内瓦斯爆燃火焰图像-温度关系分析

9．4．1 彩色CCD的三色测温原理

9．4．2 管内爆燃火焰图像-温度关系初步分析

9．5 本章小结

第10章 全文总结

10．1 本文主要工作和研究结论

10．2 不足之处和下一步展望

参考文献

附录：Matlab源程序

致谢

读博期间发表的学术论文与取得的其它研究成果