超细水雾抑制甲烷爆炸实验与数值模拟

【摘要】：近些年来,频繁发生的煤矿瓦斯爆炸事故严重威胁着矿井工人的生命安全,给企业和社会都带来了极大负担。为此,一种有效的抑爆技术的提出就显得极为迫切。超细水雾作为一种新型的抑爆介质,由于其自身所具有的众多优点,已得到了大量学者的重视。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了超细水雾对甲烷爆炸的抑制效果及影响因素,并初步分析了抑制机理。本文目的是总结超细水雾抑爆规律,为工业应用提供理论分析基础。 本文首先在容积为0.02025m3的密闭长方体容器中,进行了超细水雾抑制甲烷爆炸实验,获得了各个实验条件下的爆炸超压发展规律和火焰传播图像。在此基础上,对超细水雾抑制甲烷爆炸过程进行了三维数值模拟计算,并利用模拟结果对火焰温度和形态变化,以及流场流动特征进行了分析。 通过对实验和数值模拟结果的分析,可得到如下主要结论： (1)甲烷爆炸时,火焰传播速度先增大,后减小,最后趋于波动,而且速度的这种波动趋势会一直保持到爆炸结束。郁金香火焰结构的出现,与火焰附近的大尺度涡团运动有关。 (2)当加入超细水雾后,甲烷爆炸强度明显降低,表现在最大爆炸超压和最大火焰传播速度的减小,压力上升也变得缓慢。当水雾量达到一定值后,爆炸会被完全抑制。火焰面和燃烧产物区的颜色和透明度发生改变,温度也明显降低。火焰传播速度总体变化趋势未改变,但火焰的加速过程会变得缓慢。当水雾量足够大时,郁金香火焰结构消失。在整个爆炸过程中,火焰前方的未燃气体的流动方向始终与火焰传播方向一致。火焰后方的燃烧产物的流动方向,在爆炸前期与火焰传播方向相同,后期则相反。 (3)超细水雾对火焰的热量吸收,造成火焰的温度和传播速度的降低。同时水蒸汽又能稀释未燃区的氧气浓度,对可燃气体产生窒息作用。 (4)影响抑制效果的因素主要为水雾量和水雾颗粒粒径。水雾量越大,抑制效果越好。当水雾量一定时,颗粒粒径为15μm的水雾的抑制效果最好。 【关键词】：甲烷爆炸 超细水雾 数值模拟 火焰传播 抑制效果
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-28
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-26
• 1.2.1 气体爆炸研究12-16
• 1.2.2 气体爆炸防治技术研究16-17
• 1.2.3 细水雾抑制气体爆炸研究17-26
• 1.3 研究内容26-28
• 2 超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究28-39
• 2.1 实验设备和实验方法28-30
• 2.1.1 实验设备28-29
• 2.1.2 实验方法29-30
• 2.2 实验结果与分析30-37
• 2.2.1 甲烷爆炸特征分析30-33
• 2.2.2 超细水雾抑制甲烷爆炸特征分析33-37
• 2.3 本章小结37-39
• 3 超细水雾抑制甲烷爆炸数值计算模型的建立39-45
• 3.1 数学模型39-43
• 3.1.1 湍流大涡模拟模型39-40
• 3.1.2 部分预混燃烧模型40-41
• 3.1.3 离散相模型41-42
• 3.1.4 热辐射和壁面换热模型42-43
• 3.2 几何模型和网格划分43-44
• 3.3 时间步长和数值方法44
• 3.4 边界和初始条件44
• 3.5 本章小结44-45
• 4 超细水雾抑制甲烷爆炸的数值模拟研究45-83
• 4.1 甲烷爆炸的数值模拟45-50
• 4.1.1 模拟与实验的压力上升过程比对45-46
• 4.1.2 火焰传播过程分析46-48
• 4.1.3 火焰形态与流动关系48-50
• 4.2 超细水雾抑制甲烷爆炸的数值模拟50-81
• 4.2.1 超细水雾抑制下的爆炸超压变化规律50-56
• 4.2.2 超细水雾抑制下的火焰传播过程分析56-66
• 4.2.3 模拟流场分析66-68
• 4.2.4 粒径变化对抑制效果的影响68-76
• 4.2.5 水雾抑制作用分析76-81
• 4.3 本章小结81-83
• 结论83-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

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