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甲烷—沉积煤尘爆炸实验与大涡模拟

作　者: 董呈杰
导　师: 毕明树
学　校: 大连理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 甲烷爆炸甲烷煤尘混合爆炸爆炸压力火焰传播大涡模拟
分类号: TD714.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

瓦斯和煤尘爆炸是威胁煤矿安全生产的重大隐患之一。我国煤矿事故中因瓦斯和煤尘爆炸造成的伤亡人数是世界上其他主要采煤国家的4倍以上,重要的的原因之一就是对矿井内瓦斯和煤尘爆炸的机理和规律掌握地不够充分,造成防爆和抑爆装置未能及时动作。为此,国内外研究者针对可燃介质气相爆炸和粉尘爆炸进行了大量的实验和数值模拟工作,但瓦斯和煤尘混合爆炸问题,特别是爆炸发展过程中的气相与粉尘的耦合作用、爆炸波扬尘过程、高热煤尘快速反应动力学等机理性问题仍是该领域研究的热点和难点。本文即针对上述问题,采用实验和数值模拟相结合的方法,对管道内的甲烷气相爆炸和甲烷-煤尘混合爆炸过程进行了研究。主要工作和结论如下。(1)搭建了甲烷-沉积煤尘爆炸实验系统,包括长径比为23的爆炸管、气体预混罐、煤粉分散槽、障碍物布置器,以及由计算机、数据采集卡、高频压力传感器和具有过载保护功能的电火花点火装置组成的实验测试控制系统,压力测试精度为0.25级,系统的动态响应时间达到了毫秒级。利用该实验系统可以开展不同障碍物布置方案下的甲烷-空气爆炸和甲烷-沉积煤尘混合爆炸实验,获得各种实验条件下的爆炸压力上升规律。(2)进行了管道内预混甲烷-空气爆炸实验,爆炸压力随时间的变化趋势表明,压力上升过程呈现四个阶段,第一阶段压力增加不明显,该阶段约占总爆炸时间的10%到15%；接下来爆炸压力快速上升,但是该过程持续时间不到总爆炸时间的5%；然后爆炸压力上升速率减小,该过程持续时间较长；之后,爆炸压力波动上升。(3)在管道内布置半圆形石棉板作为障碍物,探讨了障碍物对爆炸压力上升过程的影响。实验结果表明,放置障碍物导致局部爆炸压力上升速率加快,爆炸持续时间缩短；对于连续布置多个障碍物的情形,爆炸压力急剧上升,爆炸压力显著增加；考察单个障碍物位置对爆炸过程的影响,发现障碍物与点火源间距离超过一定范围后,爆炸压力-时间曲线出现多峰值。(4)建立了甲烷-空气爆炸过程三维数值模型,采用大涡模型模拟湍流流动；采用预混燃烧模型计算化学反应过程；采用P1模型模拟辐射传热；对火焰传播和火焰锋面与固体壁面之间的动态传热过程进行耦合求解。与Kindracki和本文的实验工况进行了比较,数值模拟结果完整的反映了爆炸压力上升的四个阶段,最大爆炸压力计算值的偏差小于15.6%。(5)对管道内甲烷-空气爆炸的过程进行了数值模拟,获得了封闭管道内甲烷爆炸的火焰传播过程：混合气体被引燃后,火焰面呈球形,面积较小,火焰速度较低,压力上升速率较低；接下来火焰面在轴向伸长,火焰面积、火焰速度和压力上升速率均增加；当火焰面接触到管道壁面而熄灭,火焰速度和压力上升速率均开始减缓；之后,在火焰面的中心出现回流,已燃气体区域的管道壁面附近产生大尺度涡,郁金香形状火焰形成,此时管道中心线火焰速度达到最小值；郁金香火焰消失过程伴随火焰速度再次增加,最后火焰速度出现波动。最大火焰速度出现在火焰面伸长阶段,对应压力上升过程的第二阶段,并随管道长径比增加近似线性增加；点火位置在管道一端时,最大火焰速度比点火源在管道中心时高约30%。(6)在甲烷-空气爆炸数值模拟的基础上,对管道内设置障碍物条件下甲烷-空气爆炸过程进行了数值模拟研究。获得了火焰越过障碍物的传播规律,揭示了火焰传播与压力上升之间的关系。以300mm为间距,从点火端开始布置多个障碍物时,火焰速度峰值和爆炸压力随着障碍物数量的增加而增大。(7)在管道内甲烷-空气爆炸实验的基础上,对管道底部添加沉积煤尘的混合爆炸过程进行了实验研究。无障碍物时,与甲烷-空气爆炸相比,爆炸压力上升各阶段以及压力峰值没有明显差别,只是第四阶段压力波动幅度减小；管道内连续布置多个障碍物时,气体爆炸引起沉积煤尘弥散并燃烧,甲烷-沉积煤尘混合爆炸压力大于预混甲烷-空气的爆炸压力。(8)将气体预混燃烧模型与煤粉非预混燃烧模型相结合,建立了甲烷-空气爆炸诱导沉积煤尘分散并发生化学反应的三维数值模型,通过模拟计算获得了煤尘非稳态弥散过程的仿真图像。管道内无障碍物时,气体爆炸引起煤尘分散的高度有限,管道顶部煤尘颗粒很少；管道内添加障碍物后,爆炸过程中煤尘在障碍物前方堆积,然后被气流裹挟越过障碍物,在障碍物附近分散；均匀布置多个障碍物促使煤尘充满整个管道。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-12
引言  12-14
1 文献综述  14-34
  1.1 气体和粉尘爆炸基本形式  14-15
  1.2 气体和粉尘爆炸的影响因素  15-19
    1.2.1 气体和粉尘性质的影响  15-17
    1.2.2 初始温度和压力的影响  17-18
    1.2.3 容器的影响  18
    1.2.4 湍流的影响  18-19
  1.3 国内外研究概况  19-33
    1.3.1 实验研究  20-25
    1.3.2 理论研究  25-30
    1.3.3 数值模拟研究  30-32
    1.3.4 研究现状小结  32-33
  1.4 本文主要内容  33-34
2 甲烷-空气爆炸过程实验研究  34-48
  2.1 实验系统设计  34-37
    2.1.1 实验装置  34-36
    2.1.2 实验方法  36-37
  2.2 实验结果  37-45
    2.2.1 管道内甲烷爆炸特征  37-39
    2.2.2 单一障碍物对爆炸压力的影响  39-43
    2.2.3 多障碍物对爆炸压力的影响  43-45
  2.3 讨论  45-47
  2.4 本章小结  47-48
3 气体爆炸数学模型与数值方法  48-58
  3.1 气体爆炸数学模型  48-54
    3.1.1 气相流动模型  48-51
    3.1.2 气体燃烧模型  51-52
    3.1.3 热辐射模型  52-53
    3.1.4 管道壁面热耗散模型  53-54
  3.2 数值方法  54-55
    3.2.1 离散方法  54
    3.2.2 时间步长的确定  54-55
  3.3 边界条件与初始条件  55
    3.3.1 边界条件  55
    3.3.2 初始条件  55
  3.4 计算流程  55-57
  3.5 本章小结  57-58
4 甲烷-空气爆炸火焰传播过程数值模拟  58-74
  4.1 模型验证  58-62
    4.1.1 计算工况  58
    4.1.2 网格划分  58-60
    4.1.3 计算结果与实验数据的比较  60-62
  4.2 火焰传播过程与分析  62-66
    4.2.1 火焰面形状变化过程  62-65
    4.2.2 火焰传播速度  65-66
  4.3 管道内气体爆炸的影响因素  66-72
    4.3.1 长径比对爆炸过程的影响  66-70
    4.3.2 点火源位置对爆炸过程的影响  70-72
  4.4 本章小结  72-74
5 障碍物条件下甲烷-空气爆炸数值模拟  74-86
  5.1 数学模型与网格划分  74
  5.2 障碍物附近火焰变形与流场分析  74-76
  5.3 单一障碍物对火焰传播与爆炸压力的影响  76-82
  5.4 多障碍物对爆炸过程的影响  82-85
  5.5 本章小结  85-86
6 气体爆炸诱导沉积煤尘爆炸实验研究  86-94
  6.1 实验装置与方法  86-87
  6.2 实验结果  87-92
    6.2.1 甲烷爆炸诱导沉积煤尘爆炸过程  87-88
    6.2.2 障碍物对甲烷-沉积煤尘爆炸过程的影响  88-92
  6.3 本章小结  92-94
7 气体诱导沉积煤尘爆炸数值模拟  94-108
  7.1 数值模型  94-102
    7.1.1 颗粒运动模型  94-95
    7.1.2 挥发份析出模型  95
    7.1.3 颗粒表面燃烧模型  95-96
    7.1.4 气相湍流燃烧模型  96-97
    7.1.5 热辐射模型  97-98
    7.1.6 颗粒相与气相之间动量、热量和质量交换  98-99
    7.1.7 数值方法  99-100
    7.1.8 边界条件、初始条件  100
    7.1.9 计算流程  100-102
  7.2 甲烷爆炸诱导沉积煤尘弥散过程  102-106
    7.2.1 无障碍物时煤尘的弥散过程  102
    7.2.2 障碍物对煤尘弥散过程的影响  102-106
  7.3 甲烷-煤尘爆炸压力计算结果  106-107
  7.4 本章小结  107-108
8 结论与展望  108-110
  8.1 结论  108-109
  8.2 创新点  109
  8.3 展望  109-110
参考文献  110-117
附录A 不同时刻火焰锋面与流场在X-Y平面分布  117-121
攻读博士学位期间发表学术论文情况  121-122
致谢  122-123
作者简介  123-124
大连理工大学学位论文版权使用授权书  124

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