密闭管内甲烷—煤粉复合爆炸实验研究

论文摘要

煤炭是我国重要的基础能源和工业原料,随着煤炭资源的不断开采,煤矿瓦斯、煤尘爆炸事故时有发生,造成重大的人员伤亡和财产损失。因此研究管道内瓦斯煤尘复合体系的火焰传播及爆炸波传播规律,提出正确的防爆抑爆措施,可以最大程度减小爆炸可能造成的损失。本文主要利用光敏火焰传感器和高频压力传感器对密闭管道内甲烷-煤粉复合爆炸火焰的传播过程和爆炸强度进行了研究。主要工作和结论如下：（1）自行设计、加工、组建了一套实验装置,可以对气体、粉尘以及气固两相混合物燃烧时火焰传播规律及爆炸特性进行研究。（2）实验对比分析了预混甲烷-空气爆炸和甲烷-煤粉复合爆炸特性。低浓度甲烷添加煤粉后,火焰到达各测点的时间明显提前,火焰传播速度、最大爆炸压力和最大压力上升速率也显著增大；化学计量比浓度甲烷添加煤粉后,火焰速度有所提高,由于氧气含量不足,甲烷和煤粉燃烧不完全,最大爆炸压力有所下降。（3）密闭管内甲烷-空气爆炸与甲烷-煤粉复合爆炸火焰传播规律相似。点火后,火焰速度沿管长先急剧上升,在距离点火端0.425m处火焰速度达到最大值,之后又以很大速率衰减,火焰传播至长管末端时火焰速度下降到1m／s左右。（4）实验研究了甲烷-煤粉混合物的初始状态参数（甲烷煤粉配比浓度、煤粉粒径和点火延迟时间）对甲烷-煤粉复合爆炸火焰传播特性及爆炸强度的影响。结果表明,甲烷浓度越接近化学当量比,火焰传播速度越大；管内火焰传播速度、最大爆炸压力和最大压力上升速率均随着煤粉浓度的增加先增大后减小,最佳煤粉浓度范围是500g／m3-600g／m3；在一定粒径范围内,煤粉粒径越小,复合爆炸火焰传播速度越快,最大爆炸压力和最大压力上升速率也越大；点火延迟时间越偏离500ms,火焰速度越小,最大爆炸压力和最大压力上升速率越小。（5）通过对实验数据回归分析,得到最大火焰传播速度、最大爆炸压力、最大压力上升速率与煤粉粒径和点火延迟时间之间的定量关系式,结果表明特征参数与煤粉粒径呈对数关系,与点火延迟时间呈二次函数关系。（6）障碍物对复合火焰有明显加速作用,障碍物位置不同,加速效果也不同。障碍物位置距离点火端越远,障碍物对火焰加速越不显著。障碍物位置对最大爆炸压力影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 爆炸的基本形式和特点
• 1.1.1 理想爆炸源
• 1.1.2 非理想爆炸源
• 1.2 气体和粉尘爆炸理论
• 1.2.1 气体爆炸理论
• 1.2.2 粉尘爆炸理论
• 1.2.3 密闭容器内爆炸模型
• 1.3 甲烷-煤粉复合爆炸研究进展
• 1.4 前人研究的不足及本文研究方向
• 2 实验系统和工况
• 2.1 实验系统介绍
• 2.1.1 爆炸管
• 2.1.2 扬尘及配气系统
• 2.1.3 点火系统
• 2.1.4 控制系统
• 2.1.5 测试与数据采集系统
• 2.2 实验用煤用气准备
• 2.3 爆炸前管内初始压力的计算
• 3 管道内预混甲烷-空气爆炸实验研究
• 3.1 实验条件及步骤
• 3.2 甲烷-空气预混火焰传播规律
• 3.3 甲烷-空气爆炸强度研究
• 3.4 本章小节
• 4 甲烷煤粉复合爆炸实验研究
• 4.1 实验条件及步骤
• 4.2 正交实验
• 4.3 压力上升与火焰传播关系
• 4.4 密闭管内火焰传播特征
• 4.5 甲烷煤粉配对浓度复合爆炸的影响
• 4.5.1 甲烷煤粉配比浓度对管内火焰传播的影响
• 4.5.2 甲烷煤粉配比浓度对管内最大火焰传播速度的影响
• 4.5.3 甲烷煤粉配比浓度对最大爆炸压力的影响
• 4.5.4 甲烷煤粉配比浓度对最大压力上升速率的影响
• 4.6 煤粉粒径对复合爆炸的影响
• 4.6.1 煤粉粒径对管内火焰传播的影响
• 4.6.2 煤粉粒径对管内最大火焰传播速度的影响
• 4.6.3 煤粉粒径对最大爆炸压力的影响
• 4.6.4 煤粉粒径对最大压力上升速率的影响
• 4.7 点火延迟时间对复合爆炸的影响
• 4.7.1 点火延迟时间对管内火焰传播的影响
• 4.7.2 点火延迟时间对管内最大火焰传播速度的影响
• 4.7.3 点火延迟时间对最大爆炸压力的影响
• 4.7.4 点火延迟时间对最大压力上升速率的影响
• 4.8 本章小节
• 5 障碍物位置对甲烷煤粉复合爆炸的影响
• 5.1 障碍物位置对管内火焰传播的影响
• 5.2 障碍物位置对最大火焰传播速度的影响
• 5.3 障碍物位置对最大爆炸压力的影响
• 5.4 障碍物位置对最大压力上升速率的影响
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 附录A 甲烷空气爆炸实验数据
• 附录B 甲烷煤粉复合爆炸火焰数据
• 附录C 甲烷煤粉复合爆炸压力数据
• 附录D 障碍物条件下甲烷煤粉复合爆炸实验数据
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢