泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的机理及数值模拟研究
发布时间：2021-04-11 18:38
当前煤矿井下采用的瓦斯爆炸阻隔爆装置,如隔爆水棚,对爆炸冲击波的抑制作用较弱；而且,这些技术仅针对一次性瓦斯爆炸,但不能有效抑制瓦斯多次及连续爆炸。针对上述缺陷,本文提出了泡沫陶瓷隔爆棚的新设想。通过流体饱和多孔介质的波传递方法,数值模拟研究了瓦斯爆炸冲击波在模拟掘进巷道中设置不同片数泡沫陶瓷隔爆棚时的传播状况。模拟结果表明瓦斯爆炸冲击波的超压可以在泡沫陶瓷隔爆棚区衰减为对人员和井下设施的安全范围,不能继续向前在巷道中传播。并从化学反应动力学、爆炸力学、材料力学、冲击波传播理论等角度分析了泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸火焰波和冲击波的双重抑制机理。进而,探讨了泡沫陶瓷隔爆棚在煤矿井下不同部位的安装设置。研究成果为开发泡沫陶瓷隔爆棚抑制井下瓦斯多次及连续爆炸的新技术提供了理论依据,有深远的实践应用意义。
【文章来源】：中国矿业大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
详细摘要
Detailed Abstract
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 瓦斯爆炸和传播机理的研究
1.2.2 瓦斯爆炸条件、传播规律及状态转捩的机理研究
1.3 防治瓦斯爆炸技术的研究现状
1.3.1 防止瓦斯积聚技术
1.3.2 瓦斯浓度监测技术
1.3.3 防止火源产生技术
1.4 减小瓦斯爆炸影响范围的抑爆、隔爆技术及材料的研究现状
1.4.1 瓦斯爆炸阻隔爆技术研究
1.4.2 瓦斯爆炸阻隔爆材料的研究
1.5 瓦斯爆炸控制技术存在问题
1.6 本文研究内容、研究方法和技术路线
1.6.1 主要研究内容
1.6.2 主要研究方法
1.6.3 研究的技术路线
2 瓦斯爆炸传播规律的理论研究
2.1 燃烧与爆炸
2.1.1 生成焓及反应焓
2.1.2 阿累尼鸟斯（Arrhenius）定律
2.2 瓦斯爆炸
2.2.1 瓦斯爆炸破坏效应
2.2.2 瓦斯爆炸极限
2.2.3 瓦斯爆炸极限的影响因素
2.3 链式反应理论
2.3.1 甲烷自动点火机理
2.3.2 甲烷火焰中的链式反应
2.4 层流火焰和湍流火焰
2.4.1 层流预混火焰传播机理
2.4.2 湍流预混火焰传播机理
2.5 爆燃波
2.5.1 前驱冲击波（或激波）的形成
2.5.2 爆燃波的“两波三区”结构
2.6 前驱冲击波
2.6.1 前驱冲击波基本关系式
2.6.2 前驱冲击波的雨贡钮曲线及瑞利直线
2.6.3 前驱冲击波的基本性质
2.6.4 冲击波波后能量的分配
2.6.5 冲击波在固壁上的反射
2.7 火焰波波阵面及其化学结构
2.7.1 火焰波波阵面
2.7.2 瓦斯爆炸火焰锋面的化学结构
2.8 受限空间中火焰加速机理
2.8.1 火焰失稳机理
2.8.2 受限空间和障碍物引起的火焰失稳和加速
2.9 爆轰波
2.9.1 爆轰波的基本关系式
2.9.2 爆轰波的ZND模型
2.10 可燃气中爆燃波转变为爆轰波（DDT）的机理
2.11 本章小结
3 泡沫陶瓷隔爆棚抑制井下瓦斯爆炸冲击波的物理模型
3.1 瓦斯爆炸冲击波在井下巷道中的传播规律
3.2 泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸波的实验简介
3.2.1 实验管道
3.2.2 泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的阻隔爆实验方案
3.2.3 泡沫陶瓷淬熄火焰的高速摄影图像
3.2.4 泡沫陶瓷对瓦斯爆炸冲击波的抑制效应
3.2.5 实验结果分析
3.2.6 泡沫陶瓷抑制井下巷道瓦斯爆炸波工程应用需要进一步解决的问题
3.3 瓦斯爆炸数值模拟软件介绍
3.4 泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波数值模拟采用的控制方程
3.4.1 瓦斯爆炸冲击波在空气中传播的守恒方程
3.4.2 湍流模型
3.4.3 瓦斯爆炸冲击波在泡沫陶瓷隔爆棚中传播的守恒方程
3.5 本章小结
4 泡沫陶瓷隔爆棚抑制掘进巷道瓦斯爆炸冲击波的数值模拟
4.1 泡沫陶瓷隔爆棚抑制掘进巷道瓦斯爆炸冲击波的几何模型
4.1.1 实验模型的选取
4.1.2 泡沫陶瓷材料的选取
4.1.3 几何模型
4.1.4 测点布置及超压估算
4.2 网格划分
4.3 初始条件、边界条件和假设
4.3.1 初始条件
4.3.2 边界条件
4.3.3 假设
4.4 模拟方案
4.5 模拟结果
4.5.1 20PP1/30mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.2 20PPI/50mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.3 30PPI/30mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.4 30PPI/50mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.5 孔径对泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波的影响
4.5.6 厚度对泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波的影响
4.6 泡沫陶瓷隔爆棚区及出口处的冲击波超压-时间历程
4.7 不同规格泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波的判定指标
4.8 模型的正确性分析
4.9 本章小结
5 泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的机理及工程应用探讨
5.1 瓦斯爆炸火焰波和冲击波之间的耦合效应
5.2 泡沫陶瓷的性质
5.2.1 泡沫陶瓷的物理化学特性
5.2.2 泡沫陶瓷中热传导的基本原理
5.3 泡沫陶瓷隔爆棚淬熄瓦斯爆炸火焰波的机理
5.3.1 器壁碰撞淬熄机理
5.3.2 狭缝淬熄机理
5.3.3 泡沫陶瓷对未燃混合气的湍流耗散和抑制效应
5.3.4 火焰拉伸淬熄机理
5.4 泡沫陶瓷衰减瓦斯爆炸冲击波的机理
5.4.1 横波和纵波
5.4.2 瓦斯爆炸冲击波在泡沫陶瓷中的波系演变和衰减机理
5.5 当前煤矿井下采用的阻隔爆技术及存在缺点
5.6 泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯多次和连续爆炸的工程应用探讨
5.6.1 泡沫陶瓷隔爆棚在掘进工作面的应用
5.6.2 泡沫陶瓷隔爆棚在采煤工作面的应用
5.6.3 泡沫陶瓷隔爆棚在采空区和盲巷密闭的应用
5.6.4 泡沫陶瓷隔爆棚在瓦斯抽放管中的应用
5.6.5 泡沫陶瓷隔爆棚对风门和防爆门的保护
5.6.6 泡沫陶瓷隔爆棚用于火区应急封闭
5.6.7 泡沫陶瓷隔爆棚与隔爆水棚的联合应用
5.7 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要研究工作及结论
6.2 研究的创新性
6.3 展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]定容燃烧弹中瓦斯爆炸的反应动力学模拟[J]. 梁运涛,曾文. 燃烧科学与技术. 2010(04)
[2]泡沫陶瓷多孔介质有效导热特性研究[J]. 王关晴,黄曙江,丁宁,罗丹,黄雪峰,刘彦,徐江荣. 中国电机工程学报. 2010(11)
[3]φ700mm管道细水雾抑制瓦斯爆炸试验研究[J]. 李永怀,蔡周全. 煤炭科学技术. 2010(03)
[4]瓦斯爆炸界限的影响因素研究[J]. 王东武,张延松. 矿业安全与环保. 2009(06)
[5]管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性影响的数值模拟[J]. 王成,马天宝,卢捷. 中国科学（G辑:物理学 力学 天文学）. 2009(09)
[6]纳米粉体对矿井瓦斯的抑爆作用[J]. 罗振敏,葛岭梅,邓军,程方明. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2009(02)
[7]国内煤矿瓦斯理论、实验及其应用技术研究现状[J]. 王建,曹雄. 山西化工. 2009(02)
[8]链式反应理论在矿井瓦斯抑爆中的应用[J]. 罗振敏. 煤矿安全. 2009(02)
[9]氢气及重烃组分对瓦斯爆炸下限影响的实验研究[J]. 潘尚昆,李增华,林柏泉,张兰君,赫永恒. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2008(03)
[10]湍流状态下甲烷爆炸特性的实验研究[J]. 邓军,程方明,罗振敏,王华. 中国安全科学学报. 2008(08)
博士论文
[1]受限空间煤尘爆炸传播及伤害模型研究[D]. 杨书召.河南理工大学 2010
[2]突出诱发瓦斯爆炸数值模拟及实证研究[D]. 杨春丽.中国矿业大学（北京） 2009
硕士论文
[1]矿井瓦斯爆炸控制材料的实验研究[D]. 张辉.西安科技大学 2005
本文编号：3131756
【文章来源】：中国矿业大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
详细摘要
Detailed Abstract
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 瓦斯爆炸和传播机理的研究
1.2.2 瓦斯爆炸条件、传播规律及状态转捩的机理研究
1.3 防治瓦斯爆炸技术的研究现状
1.3.1 防止瓦斯积聚技术
1.3.2 瓦斯浓度监测技术
1.3.3 防止火源产生技术
1.4 减小瓦斯爆炸影响范围的抑爆、隔爆技术及材料的研究现状
1.4.1 瓦斯爆炸阻隔爆技术研究
1.4.2 瓦斯爆炸阻隔爆材料的研究
1.5 瓦斯爆炸控制技术存在问题
1.6 本文研究内容、研究方法和技术路线
1.6.1 主要研究内容
1.6.2 主要研究方法
1.6.3 研究的技术路线
2 瓦斯爆炸传播规律的理论研究
2.1 燃烧与爆炸
2.1.1 生成焓及反应焓
2.1.2 阿累尼鸟斯（Arrhenius）定律
2.2 瓦斯爆炸
2.2.1 瓦斯爆炸破坏效应
2.2.2 瓦斯爆炸极限
2.2.3 瓦斯爆炸极限的影响因素
2.3 链式反应理论
2.3.1 甲烷自动点火机理
2.3.2 甲烷火焰中的链式反应
2.4 层流火焰和湍流火焰
2.4.1 层流预混火焰传播机理
2.4.2 湍流预混火焰传播机理
2.5 爆燃波
2.5.1 前驱冲击波（或激波）的形成
2.5.2 爆燃波的“两波三区”结构
2.6 前驱冲击波
2.6.1 前驱冲击波基本关系式
2.6.2 前驱冲击波的雨贡钮曲线及瑞利直线
2.6.3 前驱冲击波的基本性质
2.6.4 冲击波波后能量的分配
2.6.5 冲击波在固壁上的反射
2.7 火焰波波阵面及其化学结构
2.7.1 火焰波波阵面
2.7.2 瓦斯爆炸火焰锋面的化学结构
2.8 受限空间中火焰加速机理
2.8.1 火焰失稳机理
2.8.2 受限空间和障碍物引起的火焰失稳和加速
2.9 爆轰波
2.9.1 爆轰波的基本关系式
2.9.2 爆轰波的ZND模型
2.10 可燃气中爆燃波转变为爆轰波（DDT）的机理
2.11 本章小结
3 泡沫陶瓷隔爆棚抑制井下瓦斯爆炸冲击波的物理模型
3.1 瓦斯爆炸冲击波在井下巷道中的传播规律
3.2 泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸波的实验简介
3.2.1 实验管道
3.2.2 泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的阻隔爆实验方案
3.2.3 泡沫陶瓷淬熄火焰的高速摄影图像
3.2.4 泡沫陶瓷对瓦斯爆炸冲击波的抑制效应
3.2.5 实验结果分析
3.2.6 泡沫陶瓷抑制井下巷道瓦斯爆炸波工程应用需要进一步解决的问题
3.3 瓦斯爆炸数值模拟软件介绍
3.4 泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波数值模拟采用的控制方程
3.4.1 瓦斯爆炸冲击波在空气中传播的守恒方程
3.4.2 湍流模型
3.4.3 瓦斯爆炸冲击波在泡沫陶瓷隔爆棚中传播的守恒方程
3.5 本章小结
4 泡沫陶瓷隔爆棚抑制掘进巷道瓦斯爆炸冲击波的数值模拟
4.1 泡沫陶瓷隔爆棚抑制掘进巷道瓦斯爆炸冲击波的几何模型
4.1.1 实验模型的选取
4.1.2 泡沫陶瓷材料的选取
4.1.3 几何模型
4.1.4 测点布置及超压估算
4.2 网格划分
4.3 初始条件、边界条件和假设
4.3.1 初始条件
4.3.2 边界条件
4.3.3 假设
4.4 模拟方案
4.5 模拟结果
4.5.1 20PP1/30mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.2 20PPI/50mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.3 30PPI/30mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.4 30PPI/50mm不同片数泡沫陶瓷隔爆棚对瓦斯爆炸冲击波的衰减规律
4.5.5 孔径对泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波的影响
4.5.6 厚度对泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波的影响
4.6 泡沫陶瓷隔爆棚区及出口处的冲击波超压-时间历程
4.7 不同规格泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸冲击波的判定指标
4.8 模型的正确性分析
4.9 本章小结
5 泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的机理及工程应用探讨
5.1 瓦斯爆炸火焰波和冲击波之间的耦合效应
5.2 泡沫陶瓷的性质
5.2.1 泡沫陶瓷的物理化学特性
5.2.2 泡沫陶瓷中热传导的基本原理
5.3 泡沫陶瓷隔爆棚淬熄瓦斯爆炸火焰波的机理
5.3.1 器壁碰撞淬熄机理
5.3.2 狭缝淬熄机理
5.3.3 泡沫陶瓷对未燃混合气的湍流耗散和抑制效应
5.3.4 火焰拉伸淬熄机理
5.4 泡沫陶瓷衰减瓦斯爆炸冲击波的机理
5.4.1 横波和纵波
5.4.2 瓦斯爆炸冲击波在泡沫陶瓷中的波系演变和衰减机理
5.5 当前煤矿井下采用的阻隔爆技术及存在缺点
5.6 泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯多次和连续爆炸的工程应用探讨
5.6.1 泡沫陶瓷隔爆棚在掘进工作面的应用
5.6.2 泡沫陶瓷隔爆棚在采煤工作面的应用
5.6.3 泡沫陶瓷隔爆棚在采空区和盲巷密闭的应用
5.6.4 泡沫陶瓷隔爆棚在瓦斯抽放管中的应用
5.6.5 泡沫陶瓷隔爆棚对风门和防爆门的保护
5.6.6 泡沫陶瓷隔爆棚用于火区应急封闭
5.6.7 泡沫陶瓷隔爆棚与隔爆水棚的联合应用
5.7 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要研究工作及结论
6.2 研究的创新性
6.3 展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]定容燃烧弹中瓦斯爆炸的反应动力学模拟[J]. 梁运涛,曾文. 燃烧科学与技术. 2010(04)
[2]泡沫陶瓷多孔介质有效导热特性研究[J]. 王关晴,黄曙江,丁宁,罗丹,黄雪峰,刘彦,徐江荣. 中国电机工程学报. 2010(11)
[3]φ700mm管道细水雾抑制瓦斯爆炸试验研究[J]. 李永怀,蔡周全. 煤炭科学技术. 2010(03)
[4]瓦斯爆炸界限的影响因素研究[J]. 王东武,张延松. 矿业安全与环保. 2009(06)
[5]管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性影响的数值模拟[J]. 王成,马天宝,卢捷. 中国科学（G辑:物理学 力学 天文学）. 2009(09)
[6]纳米粉体对矿井瓦斯的抑爆作用[J]. 罗振敏,葛岭梅,邓军,程方明. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2009(02)
[7]国内煤矿瓦斯理论、实验及其应用技术研究现状[J]. 王建,曹雄. 山西化工. 2009(02)
[8]链式反应理论在矿井瓦斯抑爆中的应用[J]. 罗振敏. 煤矿安全. 2009(02)
[9]氢气及重烃组分对瓦斯爆炸下限影响的实验研究[J]. 潘尚昆,李增华,林柏泉,张兰君,赫永恒. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2008(03)
[10]湍流状态下甲烷爆炸特性的实验研究[J]. 邓军,程方明,罗振敏,王华. 中国安全科学学报. 2008(08)
博士论文
[1]受限空间煤尘爆炸传播及伤害模型研究[D]. 杨书召.河南理工大学 2010
[2]突出诱发瓦斯爆炸数值模拟及实证研究[D]. 杨春丽.中国矿业大学（北京） 2009
硕士论文
[1]矿井瓦斯爆炸控制材料的实验研究[D]. 张辉.西安科技大学 2005
本文编号：3131756
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