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细水雾抑制瓦斯爆炸实验与数值模拟研究

作　者: 唐建军
导　师: 陈晓坤
学　校: 西安科技大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 瓦斯爆炸抑爆细水雾数值模拟实验
分类号: TD712.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

我国煤矿日趋严重的瓦斯爆炸事故严重威胁着井下工作人员的生命安全,制约矿井生产的发展,给煤炭企业带来沉重的负担。尽管瓦斯爆炸事故频繁发生,但目前国内外还没有一项技术能控制三要素都具备的矿井瓦斯混合气体不爆炸。所以找到更好的控爆材料来结合新的技术来抑制瓦斯的爆炸,对于防止灾害的发生具有重要意义。改造原有20L近球形抑爆实验装置并在其内加入细水雾喷头,用原有的和改造后的实验装置分别进行实验。本文从瓦斯爆炸机理以及细水雾抑爆机理出发,分析了细水雾抑爆特性。从细水雾抑爆的物理特性与化学特性出发,应用Fluent软件中考虑基元反应并且导入CHEMKIN的涡耗散概念模型,结合流体力学三大基本守恒方程、湍流方程和理想气体状态方程,以及CHEMKIN的物化性质,进行数值模拟。对比密闭容器内的瓦斯爆炸数值模拟与实验结果发现最大爆炸压力与爆压上升速率除了个别值偏差较大,其他的偏差都在20%以内,基本相吻合。对比数值模拟和实验结果的爆炸压力随时间变化曲线,发现实验过程中压力曲线在达到最大值之后下降的原因是由于壁面传热与泄压造成的。通过数值模拟分析了爆炸的三个阶段:爆炸的初始阶段、爆炸的扩展阶段和爆炸的衰弱阶段。在基元反应中,分析了各个组分的摩尔浓度以及基元反应的化学反应速率。细水雾抑制瓦斯爆炸的数值模拟与实验结果对比,细水雾抑爆实验和数值模拟偏差较大,对数值模型提出了修正意见。通过对水抑制瓦斯爆炸数值模拟进行压力和温度均分析得出,对于爆炸有一定的削弱作用,其中对于链式反应的第一步的削弱最为明显,至少减少了50%。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
1 绪论  10-20
  1.1 研究的背景以及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 瓦斯爆炸的主要防治措施  11
    1.2.2 瓦斯爆炸控制技术  11-14
    1.2.3 水雾的抑爆技术的实验研究  14-15
    1.2.4 水雾抑爆的数值模拟研究  15-16
  1.3 可燃性气体爆炸的数值模拟研究  16-18
    1.3.1 计算流体动力学简介  16-17
    1.3.2 气体爆炸的数值模拟的研究  17-18
  1.4 本文研究的主要内容  18-19
  1.5 本文技术路线  19-20
2 细水雾抑制瓦斯爆炸实验系统  20-31
  2.1 原有实验系统介绍  20-22
  2.2 改造原有实验系统  22-25
    2.2.1 系统改造的目的  22
    2.2.2 改造实验系统  22-25
  2.3 密闭容器内的瓦斯爆炸实验  25-28
    2.3.1 实验目的  25-26
    2.3.2 实验的初始条件  26
    2.3.3 实验过程  26-27
    2.3.4 实验结果  27-28
  2.4 细水雾抑制爆炸实验  28-30
    2.4.1 实验目的  28
    2.4.2 实验的初始条件  28
    2.4.3 实验过程  28-29
    2.4.4 实验结果  29-30
  2.5 本章小结  30-31
3 水抑制瓦斯爆炸过程的数值模型  31-50
  3.1 瓦斯爆炸的机理分析  31-34
    3.1.1 可燃性气体爆炸机理  31-32
    3.1.2 瓦斯爆炸链式反应机理  32-34
  3.2 细水雾的抑爆的机理研究  34-36
    3.2.1 细水雾的定义  34-35
    3.2.2 物理抑制过程  35
    3.2.3 化学抑制过程  35-36
  3.3 数学模型  36-43
    3.3.1 化学方程  36-38
    3.3.2 控制方程  38-39
    3.3.3 燃烧模型  39-43
  3.4 数值方法  43-47
    3.4.1 基本方程的离散  43-44
    3.4.2 分离解法  44-46
    3.4.3 变比热物性  46-47
  3.5 初始条件与边界条件  47-48
    3.5.1 流场初始条件  47
    3.5.2 点火条件  47-48
    3.5.3 边界条件  48
  3.6 网格的处理  48
  3.7 本章小结  48-50
4 密闭容器内瓦斯爆炸数值模拟结果  50-60
  4.1 数值模拟的有效性验证  50-53
    4.1.1 不同的瓦斯浓度下最大爆炸压力与最大爆压上升速率的对比  50-51
    4.1.2 不同时刻爆炸压力曲线的对比  51-53
  4.2 密闭容器内瓦斯爆炸的发展规律  53-59
    4.2.1 不同时刻下温度变化规律  53-55
    4.2.2 化学反应区各个组分变化规律  55-57
    4.2.3 基元反应的Arrhenius 反应速率的规律  57-59
  4.3 本章小结  59-60
5 细水雾抑爆实验与数值模拟分析  60-66
  5.1 实验结果与数值模拟对比  60-61
  5.2 数值模拟结果的分析  61-65
    5.2.1 不同水量下压力分析  61-62
    5.2.2 不同水量下的温度分析  62-64
    5.2.3 不同水量下Arrhenius 反应速率的规律  64-65
  5.3 本章小结  65-66
6 结论  66-68
  6.1 结论  66-67
  6.2 展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
附录  72

细水雾抑制瓦斯爆炸实验与数值模拟研究

内容摘要

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