管道内孔板障碍物对可燃气体爆炸特性的影响机制研究

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瓦斯爆炸是煤矿开采过程中最严重的灾难之一,在瓦斯爆炸的传播过程中,受巷道环境条件的影响很大。由于煤矿开采的要求和安全防护的需要,井下巷道中存在的大量设备、设施会对爆炸传播产生不同程度的影响。因此,研究障碍物对瓦斯爆炸的影响,对于了解瓦斯爆炸特性,进行煤矿安全设计和安全防护具有重要意义。运用长4 m、横截面尺寸80 mm×80 mm的半密闭管道,通过改变孔板障碍物的阻塞率、形状和孔数等参数,实验研究了孔板障碍物对10%甲烷/空气混合气体爆炸的影响,以期为瓦斯爆炸防护和矿井安全设计提供理论依据,主要研究结果如下:(1)阻塞率为35%、45%、55%、65%、75%、86%、94%的孔板对爆炸传播的影响在爆炸传播过程中,反冲火焰是影响孔板上游爆炸强度的重要因素。当阻塞率在35%-86%范围内时,孔板上游峰值超压是反冲火焰导致的,且随阻塞率增加先增加后降低,在阻塞率为65%时达到最大。孔板对火焰前沿强度的影响随阻塞率增加呈激励-抑制的变化趋势,在阻塞率为65%时激励效果达到最大。孔板反射压力波对火焰前沿的抑制作用随爆炸传播距离的增加而增加,导致对爆炸传播的影响由激励转为抑制的临界阻塞率随爆炸传播距离的增加而降低。在孔板下游,爆炸传播主要受火焰前沿强度、射流和湍流的共同影响。随着阻塞率增加,孔板对爆炸发展的影响呈现出激励-抑制的变化趋势。当阻塞率在35%-86%范围内时,孔板对爆炸超压和火焰传播速度的影响均为激励,且当阻塞率为65%时激励效果最为明显;当阻塞率达到94%时,爆炸火焰穿过孔板后即被射流彻底淬熄。(2)相同阻塞率条件下开孔形状为圆形、方形、三角形、4齿形、6齿形和8齿形的孔板对爆炸传播的影响孔板不规则程度的增加会降低对上游爆炸传播的激励作用。相较圆形孔板,孔板开孔形状变化能够显著促进反冲火焰强度增加。各组实验的峰值超压呈现出随着孔板不规则程度的增加先增加后降低的变化趋势,在三角形孔板实验中峰值超压达到最大。在一定范围内,孔板不规则程度的增加会促进爆炸发展,但是当孔板不规则程度和射流强度足够大时,在射流淬熄的影响下反而会降低对爆炸发展的激励作用。(3)相同阻塞率条件下孔数为1、3、9的孔板对爆炸传播的影响在孔板上游,孔数增加能够降低孔板对火焰前沿的抑制作用,并有效降低反冲火焰强度。孔板下游爆炸传播受射流影响明显,孔数增加会增加射流对爆炸火焰的淬熄影响,同时加速射流失稳、减少高速射流的持续时间,后者的影响随着上游爆炸强度的增加而增加。当上游爆炸经过较充分的发展时,3孔孔板实验中射流对复燃火焰的淬熄影响最大。
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