煤矿瓦斯煤尘爆炸数值模拟研究

发布时间：2017-04-26 05:08

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【摘要】：瓦斯煤尘爆炸是我国煤矿事故中最严重的一种事故，由它导致的死亡人数占各类重大事故造成死亡人数总和的一半以上。瓦斯瞬间爆炸产生的温度可高达1850-2650℃，压力已远远超过初始压力的9倍，爆源附近气体的速度以每秒几百米以上向外部冲击，造成伤亡人数增加、损坏器材设施和巷道。爆炸后使瓦斯具有较低的浓度，使生成物CO和CO2迅速增加，将导致人员中毒甚至窒息。煤矿井下瓦斯爆炸事故的频繁发生，使得人们必须深入的研究了解瓦斯爆炸的传播规律，才能针对井下的具体条件，来降低瓦斯爆炸事故的发生和制作出具有稳定性好和安全系数高的阻隔爆设施，以此使由爆炸事故引起的危害降到最低。 本文将理论分析和前人研究成果相结合，针对巷道内瓦斯煤尘的混合爆炸过程，通过流体力学软件fluent进行数值模拟研究，为了更好的对巷道内瓦斯煤尘混合爆炸过程进行叙述，还建立了相应的数学和物理模型，并拟定了模型的边界条件和数值模拟的初始条件。对瓦斯煤尘混合爆炸过程的模拟采用涡耗散概念模型(EDC)，对爆炸过程中速度和压力变化关系的处理采用PISO算法。由于壁面附近是气固两相流，为了提高模拟的精度和准确性，壁面附近的流场采用非平衡函数法处理。 本课题主要研究了以下个方面，分别为(1)煤尘粒径大小对爆炸超压的影响，结果显示最大爆炸超压值随着煤尘粒径的增大明显减小，而且基本呈线性变化。由复合爆炸引起的最大爆炸超压在煤尘粒径为40μm时达到最大值。(2)瓦斯浓度与煤尘浓度分别对爆炸超压的影响，结果显示在甲烷浓度恒定时，随着增加煤尘的浓度，最大爆炸超压值呈现先增大后减小的趋势，存在一个最大值。其中当煤尘浓度为390g/m3，5%的瓦斯浓度时由爆炸产生的爆炸压力达到最大值。(3)煤尘粒径对爆炸压力上升速率的影响，结果显示当适当的减小煤尘粒径，爆炸压力的上升速率反而逐渐加快。(4)瓦斯浓度和煤尘浓度对爆炸最大压力上升速率的影响，结果显示当煤尘浓度恒定时，爆炸最大压力的上升速率随着瓦斯浓度的变化呈现出先增大后减小的趋势。而在瓦斯浓度固定的前提下整体与前者呈现一样的变化趋势。(5)瓦斯煤尘混合爆炸火焰传播特性，结果显示瓦斯煤尘混合爆炸所产生的火焰传播距离要远远高于纯瓦斯的爆炸，且传播的速度随着温度的升高而显著加快。
【关键词】：瓦斯煤尘 数值模拟 最大爆炸压力 最大爆炸压力上升速率
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD714.5;TD712.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 选题背景和研究意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 障碍物对爆炸传播特性的影响14
• 1.2.2 煤尘对爆炸传播特性的影响14-15
• 1.2.3 瓦斯爆炸特性数值模拟15-16
• 1.2.4 瓦斯煤尘共存爆炸传播规律16
• 1.2.5 不同巷道结构对爆炸传播特性的影响16-17
• 1.3 数值模拟研究17-18
• 1.4 反应机理18-19
• 1.5 本文研究的目的19
• 1.6 本文研究内容19-20
• 2 瓦斯煤尘爆炸传播理论分析及传播机理20-33
• 2.1 引言20
• 2.2 瓦斯爆炸反应机理20-24
• 2.2.1 瓦斯爆炸反应机理分析20-21
• 2.2.2 瓦斯爆炸的条件21-24
• 2.3 瓦斯爆炸传播的物理化学机制24-27
• 2.3.1 爆炸火焰传播25
• 2.3.2 空气冲击波传播25-26
• 2.3.3 瓦斯爆炸冲击波爆燃转爆轰26-27
• 2.4 沉积煤尘参与爆炸的理论分析27-33
• 2.4.1 沉积煤尘参与爆炸的条件27
• 2.4.2 单颗粒煤尘受力分析27-31
• 2.4.3 影响煤尘爆炸的因素31-33
• 3 瓦斯煤尘混合爆炸传播数值仿真研究33-44
• 3.1 引言33
• 3.2 模型的选取33-36
• 3.3 壁面函数函数36-37
• 3.4 计算方法37-38
• 3.5 化学反应机理38-39
• 3.6 网格划分的原则39-40
• 3.7 煤矿巷道物理建模及网格划分40-42
• 3.8 边界条件与初始条件的设置42-44
• 4 模拟结果及分析44-58
• 4.1 管道内瓦斯-煤尘爆炸特征44-45
• 4.2 管道内瓦斯-煤尘爆炸特征参数结果45-47
• 4.3 煤尘粒径大小对爆炸超压的影响47-49
• 4.4 煤尘粒径对爆炸压力上升速率的影响49-50
• 4.5 瓦斯浓度与煤尘浓度对爆炸超压的影响50-54
• 4.6 瓦斯浓度和煤尘浓度对爆炸最大压力上升速率的影响54-56
• 4.7 纯瓦斯爆炸与瓦斯煤尘混合爆炸火焰分析56-58
• 5 结论与展望58-61
• 5.1 结论58-59
• 5.2 展望与不足59-61
• 参考文献61-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文67-68
• 致谢68-69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：327771