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煤矿井下现场条件复杂,影响瓦斯爆炸传播的因素很多,诸如点火能量、瓦斯浓度等都有可能对煤矿瓦斯爆炸产生重要影响。本论文综合运用理论分析、试验研究和数值模拟三种研究方法,系统地研究了点火能量对瓦斯爆炸传播的影响。
首先运用热爆炸理论和链式反应机理对瓦斯爆炸机理进行了理论分析,然后运用瓦斯爆炸传播的物理机制分析了瓦斯爆炸火焰传播和冲击波传播规律,并从瓦斯爆炸传播的基本方程出发,分析研究了点火能量与爆炸冲击波压力和爆炸火焰温度之间影响关系。
在进行理论分析的基础上,应用直径为Φ700mm的管道对不同点火能量条件下瓦斯爆炸传播规律进行了试验研究,认为:①点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值越大;且在管道长径比一定时,瓦斯爆炸压力峰值与点火能量呈二次函数关系。②点火能量越大,火焰传播速度也越大;且在管道长径比一定时,瓦斯爆炸火焰传播速度与点火能量呈二次函数关系。③点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值呈现时间越早。④瓦斯爆炸冲击波压力峰值和火焰传播速度沿管道长径比分别呈现二次函数和对数函数关系。⑤瓦斯爆炸冲击波压力峰值在爆源点附近先降低,传播一段距离后出现拐点,压力开始上升且在出口附近达到最大值。⑥瓦斯爆炸压力峰值最早出现在出口附近,而在爆源附近呈现时间最晚。⑦瓦斯爆炸火焰传播速度从爆源开始随着传播距离的加长而逐渐增大,在靠近出口附近处达到最大值。
借助流场模拟平台,以瓦斯爆炸湍流燃烧的特点,建立基于总能方程的RNGκ-ε湍流流场模型和基于多种控制机理的分步反应瓦斯爆炸燃烧模型,对不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播过程进行了数值模拟分析。模拟结果清晰的再现了瓦斯爆炸冲击波,火焰波和甲烷组分的发展变化过程,分析了瓦斯爆炸压力波、爆炸火焰和湍流三者之间的正反馈机制是推动瓦斯爆炸发展过程的重要因素。通过对爆炸过程中的压力和火焰参数与试验结果进行对比分析认为:瓦斯爆炸压力峰值和火焰传播速度与实验结果呈现基本一致的变化规律。
本论文得到的一些规律性的结论,对矿井瓦斯爆炸事故的预防及事故调查分析等都具有重要的指导意义。