瓦斯湍流爆燃火焰特性与多孔介质淬熄抑爆机理研究

发布时间：2018-05-27 22:29

本文选题：湍流爆燃 + 火焰特性　；参考：《大连理工大学》2014年博士论文

【摘要】：近年来,我国煤矿瓦斯爆炸事故仍然频繁发生,造成大量的人身伤亡和巨大的财产损失。本文通过实验测量、数值模拟及理论分析对瓦斯湍流爆燃火焰特性及多孔介质淬熄抑爆过程展开深入研究,主要目的是揭示瓦斯爆燃火焰、湍流及压力波之间的多场耦合效应及多孔介质淬熄抑爆的内在机理,更全面地理解复杂条件下瓦斯湍流爆燃火焰传播规律,推动新型抑爆技术的发展。首先,自行搭建了瓦斯湍流爆燃实验台,实验研究了瓦斯湍流爆燃过程中的火焰结构、火焰锋面位置和火焰传播速度等动态特性,证实了障碍物的湍流激励作用是火焰加速的根本原因。进一步,定量分析了各种湍流激励下的瓦斯爆燃特性,结果表明连续障碍物、中间障碍物及交错障碍物均容易诱发较高的湍流强度,从而造成更高火焰传播速度和爆燃超压。分析了不同湍流激励作用下的火焰形状瞬态演变与超压的耦合关系,并从理论上初步阐明了火焰与湍流之间的耦合机理以及火焰结构和压力之间的相互作用。其次,运用大涡模拟数值研究了复杂湍流条件下的瓦斯爆燃过程,结果表明Charlette燃烧模型可满意地预测爆燃的火焰结构、火焰锋面位置、火焰传播速度及超压等动态特性。针对瓦斯爆燃火焰面积与超压的相关性进行了理论推导,结果表明火焰面积变化将造成湍流火焰速度变化,从而影响超压变化。当火焰连续经过障碍物时,马赫数不断增大,在障碍物下游形成强度逐渐增大的大尺度旋涡,火焰不断发生褶皱和变形,导致火焰面上的涡量增大,而更大的湍流强度反过来又使湍流火焰速度升高。利用Karlovitz数定量描述了多个障碍物条件下瓦斯爆燃与湍流之间的相互作用,并对不同时刻的火焰模态进行了判别分析,结果表明中间连续障碍物条件下瓦斯湍流爆燃火焰先后经历了波纹小火焰和薄反应区两种模态,当火焰-湍流-超压多场耦合时火焰主要处于薄反应区。再次,实验研究了瓦斯爆燃火焰遇到多孔介质时的传播、淬熄及超压特性。结果表明多孔介质对下游超压具有抑制效果,障碍物越多,多场耦合效应越明显,火焰在多孔介质内越不容易被淬熄,淬熄失效机理与火焰传播速度和超压升高有关。上游障碍物数量、多孔介质孔密度、厚度对淬熄抑爆性能也有较大影响,即多孔介质孔密度或厚度越大,淬熄性能越好,但会造成通过多孔介质的压降越大。进一步,利用微细热电偶和离子探针实验测试了不同条件下多孔介质上游、内部及下游的气相温度和离子电流,与无障碍物工况相比,两侧连续障碍物工况的气体温度和离子电流降低幅度较小,致使已燃气体离开多孔介质时温度仍高于着火温度,此时下游的未燃气体可能被二次点燃。最后,基于RANS/LES分区组合模型对多孔介质淬熄抑爆过程进行数值模拟,推导出了基于热平衡理论的瓦斯爆燃淬熄准则,并修正了非多孔介质区和多孔介质区的燃烧模型及湍流模型。计算结果表明,瓦斯爆燃火焰经过多孔介质时的气相温度有显著下降,且反应进程变量高梯度区与气相温度高梯度区出现分离,使得反应进程变量高梯度区附近未燃气体不能与高温已燃气体相接触,最终导致化学反应速率大幅降低。当上游存在多场耦合时,爆燃火焰在多孔介质内传播速度更快,即火焰停留时间更短,由此造成气相温度和反应速率的下降幅度更小,火焰越不容易在多孔介质内发生淬熄。较大的孔密度会使多孔介质内的气相温度和反应速率下降较快,这时火焰越容易被淬熄；而更大的多孔介质厚度会使火焰在多孔介质内传播时间更长,气固两相之间对流换热量更多,导致多孔介质出口截面的气相温度和化学反应速率更低,火焰也越容易被淬熄。当孔密度或厚度越大时,多孔介质内的压降越大,这时下游超压的抑制效果就越显著。
[Abstract]:In recent years , China ' s coal mine gas explosion accidents still occur frequently , resulting in a large number of personal casualties and huge property losses . In this paper , the characteristics of gas turbulence and the process of quenching and explosion suppression of porous media are studied by means of experimental measurement , numerical simulation and theoretical analysis . The main purpose of this paper is to reveal the multi - field coupling effect between gas burst flame , turbulent flow and pressure wave and the internal mechanism of quenching and explosion suppression of porous media .

In this paper , the dynamic characteristics of flame structure , flame front position and flame propagation velocity in gas turbulent combustion are experimentally studied . It is proved that the turbulent excitation of obstacles is the root cause of flame acceleration .

The combustion process of gas under complex turbulent conditions is studied by using large eddy simulation . The results show that the Charlette combustion model can predict the dynamic characteristics of flame structure , flame front position , flame propagation velocity and overpressure .

The results show that the higher the density or thickness of the porous medium , the better the quenching performance , the better the gas phase temperature and the ionic current in the upstream , the inner and the downstream of the porous medium .

In the end , based on RANS / LES partition combination model to simulate the quenching and explosion suppression process of porous medium , a gas burst quenching criterion based on heat balance theory is derived , and the combustion model and turbulence model of non - porous medium and porous media are proposed .
When the density or thickness of the porous medium is larger , the greater the pressure drop in the porous medium , the more significant the suppression effect of the downstream overpressure .
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712

【参考文献】