瓦斯非均匀混合燃爆转变机制与爆炸火焰传播机理

Gas explosion is one of the most serious accidents in coal mine, which often causes heavy casualties and property loss. In the actual situation, combustion and explosion are mostly caused by the accidental ignition of a nonuniform methane/air mixture. At present, domestic and foreign scholars have done extensive research on the gas explosions that occurred in uniform methane/air mixtures. However, for the flame propagation in nonuniform methane/air mixtures, the transition process of combustion to explosion is still rarely reported and even the exactly mechanism of the explosion flame propagation is not well understood. Based on above, through laboratory test, theoretical analysis and numerical simulation methods, this project will research on parametric variation of combustion and explosion of the nonuniform methane/air mixtures and construct a flame burning rate model that used for the large eddy simulation. According to the experimental and simulation results, this project will propose a criterion for determining the transition process of combustion to explosion and reveal the mechanism of explosion flame propagation. The proposal is expected to lay scientific foundation to the prevention of combustion and explosion accidents and the assurance of safety production in coal mines.

瓦斯爆炸是煤矿井下最为严重的灾害事故之一，往往造成重大人员伤亡和财产损失。在实际煤矿井下，燃烧爆炸事故的发生大多是由瓦斯与空气非均匀混合后遇到意外火源所引起的。然而，当前国内外学者对瓦斯爆炸的研究主要集中于均匀混合的瓦斯气体，对非均匀混合条件下瓦斯燃爆转变过程少有相关报道，对爆炸火焰传播机理更是缺乏深入了解。基于此，本项目拟采用理论、模拟和实验相结合的研究方法，探究瓦斯非均匀混合燃烧爆炸特征参数变化规律，建立适用于大涡模拟的燃烧爆炸火焰模型，提出瓦斯非均匀混合燃爆转变判定准则，揭示爆炸火焰传播机理。研究成果期望为预防实际煤矿井下瓦斯燃烧爆炸事故发生与保障煤矿安全生产奠定科学基础。

瓦斯爆炸是煤矿井下最为严重的灾害事故之一，往往造成重大人员伤亡和财产损失。在实际煤矿井下，燃烧爆炸事故的发生大多是由瓦斯与空气非均匀混合后遇到意外火源所引起的。然而，当前国内外学者对瓦斯爆炸的研究主要集中于均匀混合的瓦斯气体，对非均匀混合条件下瓦斯燃爆转变过程少有相关报道，对爆炸火焰传播机理更是缺乏深入了解。. 本项目自主设计与搭建的小尺寸甲烷爆炸实验平台，开展管道内非均匀甲烷空气爆炸实验，系统研究了管道内甲烷自由扩散浓度分布、空管内非均匀甲烷爆炸特性、不同阻塞率障碍物及非均匀甲烷分布共同作用下爆炸特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷浓度分布、火焰传播结构、爆炸超压及进一步分析得出火焰传播速度等数据。基于简化的单步反应机理，采用增厚火焰模型开展了管道内甲烷-空气爆炸大涡模拟，. 研究结果表明，管道内甲烷自由扩散时，受浮力作用形成自上而下的甲烷浓度梯度场，扩散时间越短，浓度梯度越大。障碍物的存在会严重影响甲烷自由扩散的浓度分布，使得甲烷更多的积聚在障碍物前方。非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰四个阶段。障碍物对管道内甲烷非均匀爆炸产生显著影响，障碍物的存在促使管道内的非均匀爆炸火焰结构呈现五个阶段：球形火焰阶段、指形火焰阶段、三重火焰阶段、三重火焰受挤压变形阶段、湍流火焰阶段。障碍物及甲烷浓度梯度会促使管道内火焰前锋速度产生波动，出现多个波峰。与此同时，障碍物的存在的会倍数般的增大非均匀预混甲烷爆炸的超压峰值。. 研究成果期望为预防实际煤矿井下瓦斯燃烧爆炸事故发生与保障煤矿安全生产奠定科学基础。