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受限空间瓦斯爆炸过程中火焰精细结构特性的研究

作　者: 宋小雷
导　师: 王玉杰；陈先锋
学　校: 武汉理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 瓦斯爆炸 火焰精细结构 预混气体 “tuliP”火焰
分类号: TD712.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


矿井瓦斯爆炸是煤炭生产过程中发生最频繁的事故灾害,如何预防和控制瓦斯爆炸事故是目前煤矿安全生产工作的主要问题,故对瓦斯爆炸过程中火焰结构及相关参数进行深入研究具有非常重要的意义。论文采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法研究了管道中瓦斯爆炸过程中火焰传播的精细结构特性。采用自行设计的尺寸为50cm×8cm×8cm的方形实验管道,结合高速摄像纹影系统、离子探针和微细热电偶等测试系统,探测了浓度为9.5%的甲烷-空气预混气体火焰在管道内传播过程中的动态变化过程及精细结构特性。高速摄像纹影系统清晰捕捉了瓦斯爆炸过程火焰结构的变化特征以及‘’tulip"火焰形成的全过程。火焰结构图片和所探测物理参数相结合,分析了火焰前进过程中流场附近温度、压力上升速率等相关参数的变化特征,从而揭示了管道中预混气体火焰传播特性和精细结构特性。研究结果表明：预混火焰在管道中传播过程中,火焰结构变化会经历“平滑-中心内凹-失稳”的过程,这是火焰不稳定的表现。火焰传播过程中由于压力波与反射波的共同作用,传播速度出现先加速后减速的变化过程,而"tulip"火焰形成于火焰传播速度迅速降低的区域里,且减速阶段的加速度接近最大值,火焰结构变化伴随着层流与湍流的转化,且火焰厚度会发生变化。同时借助数值模拟平台,建立与实验条件相近的数学模型和物理模型,对管道内甲烷-空气预混气体火焰的传播过程进行了数值模拟,得到了管道内爆炸反应过程中影响火焰精细结构的相关参数(温度、压力、燃烧率、速度等)的变化过程。实验与数值模拟结果比对分析,验证了实验的合理性。最后分析了浓度、管道长径比、管道泄压口比率和障碍物等条件对火焰前沿流场附近相关参数的影响。本课题的研究成果可为进一步预防和控制瓦斯爆炸事故的发生提供借鉴,同时,对于研究如何有效地防止工业管道中可燃气体爆炸事故、保证气体能源动力的安全,在研究方法上具有指导意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 引言  10-19
  1.1 课题研究背景和意义  10-12
    1.1.1 研究意义  10-12
    1.1.2 研究目的  12
  1.2 国内外研究概况  12-17
    1.2.1 建造大型实验巷道  12-13
    1.2.2 小尺寸管道实验  13-16
    1.2.3 数值模拟  16-17
  1.3 国内外研究存在的不足  17-18
  1.4 主要研究内容及章节安排  18-19
第2章 瓦斯爆炸的基本理论  19-30
  2.1 气体爆炸基础知识  19-22
    2.1.1 气体爆炸极限的定义及计算  19-20
    2.1.2 气体爆炸的分类  20-21
    2.1.3 缓燃和爆震  21-22
  2.2 瓦斯爆炸机理  22-24
    2.2.1 瓦斯爆炸的物理机理  22-23
    2.2.2 瓦斯爆炸的化学机理  23-24
  2.3 瓦斯爆炸的基本参数和影响因素  24-27
    2.3.1 瓦斯爆炸的基本参数  24-25
    2.3.2 瓦斯爆炸火焰传播的影响因素  25-27
  2.4 火焰结构  27-30
    2.4.1 层流火焰结构及传播机理  27-28
    2.4.2 紊流火焰结构及传播机理  28-29
    2.4.3 火焰厚度的影响因素  29-30
第3章 实验系统与实验方法  30-41
  3.1 实验系统  30-39
    3.1.1 管道系统  30-32
    3.1.2 配气系统  32-33
    3.1.3 高速摄像系统  33-34
    3.1.4 纹影系统  34-36
    3.1.5 数据采集系统  36
    3.1.6 点火控制系统  36-37
    3.1.7 压力测试系统  37-38
    3.1.8 温度与离子电流测试系统  38-39
  3.2 实验方法与步骤  39-41
    3.2.1 实验方法  39
    3.2.2 实验步骤  39-41
第4章 瓦斯爆炸过程中火焰精细结构特性的实验研究  41-69
  4.1 瓦斯爆炸火焰结构实验研究  41-48
    4.1.1 实验条件  41-42
    4.1.2 甲烷-空气预混火焰传播的高速纹影图片  42-45
    4.1.3 甲烷-空气火焰阵面附近离子电流分布特征  45-47
    4.1.4 甲烷-空气火焰阵面附近温度分布特征  47-48
    4.1.5 甲烷-空气火焰阵面附近压力分布特征  48
  4.2 管道内甲烷-空气预混火焰爆炸传播的数值模拟分析  48-55
    4.2.1 基本假设  48-49
    4.2.2 气体爆炸的基本方程  49-51
    4.2.3 管道内气体爆炸数值模拟模型的建立  51-52
    4.2.4 管道瓦斯爆炸数值模拟结果及分析  52-55
  4.3 浓度对气体爆炸过程中火焰阵面结构影响的实验研究  55-60
    4.3.1 不同浓度条件下的火焰传播结构图片  55-57
    4.3.2 浓度对预混气体火焰附近流场压力分布特征影响  57-58
    4.3.3 浓度对预混气体火焰附近流场温度分布特征影响  58-60
    4.3.4 浓度对预混气体火焰前沿速度变化影响  60
  4.4 长径比对火焰阵面附近流场参数的影响  60-66
    4.4.1 长径比对预混气体火焰附近流场压力分布特征影响  61-62
    4.4.2 长径比变化条件下温度与燃烧率关系分析  62-64
    4.4.3 长径比对预混气体火焰传播速度影响分析  64-66
  4.5 泄压口比率对火焰阵面附近流场参数的影响  66-68
    4.5.1 泄压口比率对预混气体火焰附近流场压力分布特征影响  66-67
    4.5.2 泄压口比率对预混气体火焰附近流场温度分布特征影响  67-68
  4.6 其它条件对气体爆炸过程中火焰阵面结构影响  68-69
第5章 总结与展望  69-73
  5.1 本文主要结论  69-71
  5.2 不足与展望  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
硕士研究生在校期间公开发表的学术论文  77
参与的科研项目  77

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山安全与劳动保护 > 矿井大气 > 矿井瓦斯 > 瓦斯爆炸的预防与处理
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