瓦斯爆炸火焰湍流特性实验及数值模拟研究

发布时间：2017-11-24 13:07

  本文关键词：瓦斯爆炸火焰湍流特性实验及数值模拟研究

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【摘要】：瓦斯爆炸作为最严重的煤矿灾害事故之一,严重制约着煤矿安全生产。为了有效控制瓦斯爆炸事故的发生、减小其带来的损失,研究瓦斯爆炸传播规律,掌握瓦斯爆炸火焰湍流特性成为近年来的热门课题。本文对障碍物诱导瓦斯爆炸火焰湍流特性进行实验和数值模拟研究,旨在为掌握瓦斯爆炸传播规律、有效控制和减小瓦斯爆炸带来的损失提供理论指导。本文结合矿井实际,搭建了尺寸为150 mm×150 mm×500 mm透明瓦斯爆炸实验平台,从火焰结构、火焰传播速度、瓦斯爆炸压力三个方面实验研究了交错障碍物、障碍物板孔洞形状对瓦斯爆炸火焰湍流特性的影响。研究结果表明:交错障碍物、障碍物板孔洞结构(正多边形)对瓦斯爆炸火焰湍流特性具均有重要影响。障碍物交错放置更容易诱导火焰扭曲变形和表面褶皱,从而诱发高强度湍流,进而造成火焰传播速度及瓦斯爆炸压力的提高;障碍物的交错放置还会提升压力衰减过程中波动效应,而较强的压力波动对巷道的破坏作用更为显著。三角孔障碍物板较方孔和圆孔障碍物板更容易诱导火焰流剪应变,并产生更大的火焰柱表面积,即提高火焰与未燃气体接触面积,促进火焰湍流,提升火焰传播速度和爆炸压力;若孔洞面积固定(障碍物板阻塞率固定),瓦斯爆炸火焰湍流强度、传播速度、爆炸压力还将随孔的边数的增加而减小。此外,本文构建了含扩展区域的几何模型、亚网格尺度湍流模型及自定义湍流燃烧模型,运用大涡模拟对上述部分实验工况进行了三维模拟。通过对比分析实验与模拟结果,从火焰结构、火焰传播速度、瓦斯爆炸压力三个方面验证了Charlette燃烧模型的有效性及适用性。根据模拟结果,对比分析了空管和置障管道内火焰结构、流体速度矢量场和流场迹线等特征参数的变化规律,探索了障碍物诱导湍流产生的过程。基于火焰传播过程中流场迹线的变化及火焰面上涡量的分布规律,揭示了瓦斯爆炸过程中火焰与湍流的耦合过程:爆炸发生后,燃烧产生的热量通过膨胀作用推动火焰锋面前方的未燃瓦斯气体向开口端流动,并在障碍物的作用下发生扰动;随着反应的持续进行,热量增加,膨胀作用加强,未燃气体流动加快,并迅速在障碍物下游产生漩涡;该漩涡强度逐渐提高,尺寸逐渐增大,并将随之而来的火焰卷入其中,产生湍流火焰。研究结论将对煤矿井下物品放置规则、巷道结构设计以及丰富和完善瓦斯爆炸理论具一定指导意义。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.7

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