隧道内爆炸冲击波扬尘机理的研究

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长期以来,化石能源在我国能源供应中始终占据着主体地位,其中,煤炭资源的占比最高。并且,在未来的一段时间内,煤炭作为我国的重要战略物资,在国家的基础设施建设中仍然具有十分重要的作用。地下煤矿在开采过程中,会产生大量的沉积煤尘,当进行爆破作业或者发生爆炸事故时,爆炸产生的冲击波会将沉积煤尘卷扬起来形成煤尘云,煤尘云遇到明火被点燃很容易发生二次煤尘爆炸事故。目前,针对沉积煤尘卷扬机理的研究已经有了很多的结论,但同时也存在一些问题,主要表现为:对煤尘颗粒的受力缺乏系统的理论分析;沉积煤尘起扬的诱因尚不是很明确;对煤尘颗粒卷扬过程的分析不够清晰。针对上述问题,本文主要研究了在爆炸冲击波诱导下沉积煤尘的卷扬机理和卷扬过程,主要研究内容如下:首先,研究了单个煤尘颗粒在流体中受到的所有作用力。其次,运用数量级分析,研究了在高速、高压的爆炸冲击波流场下可以影响煤尘颗粒起扬过程和运动轨迹的主要作用力。结果表明:煤尘颗粒主要受到重力、Saffman力、曳力、压力梯度力、粒子碰撞力和颗粒相的湍流扩散力六个力的作用。然后,运用理论分析和数值模拟的方法,研究了井下受限长直巷道空间内爆炸冲击波的传播规律。结果表明:爆炸冲击波在传播过程中,会推动压缩前方的气流,形成波前扰动气流;也会席卷诱导后方气流,形成波后高速气流。随着冲击波的传播,冲击波阵面、波前扰动气流和波后高速气流的压力和速度呈不断衰减的趋势。爆炸冲击波的传播速度与传播距离的平方根成反比,超压与传播距离成反比,波后高速气流与传播距离的平方根成反比,冲击波的传播距离与传播时间平方的立方根成正比。最后,运用数值模拟和实验验证的方法,研究了爆炸冲击波诱导沉积煤尘起扬的机理。结果表明:沉积煤尘的起扬过程是由爆炸冲击波阵面、波前扰动气流和波后高速气流的共同作用造成的,波前扰动气流可以改变煤尘颗粒的初始堆积状态。煤尘颗粒的起扬主要经历了四个阶段:启动阶段(加速上扬阶段)、减速上扬阶段、沉降阶段和气力输运阶段。在启动阶段,煤尘颗粒主要受到Saffman力和湍流扩散的作用,迅速抬升;在减速上扬阶段和沉降阶段,煤尘颗粒主要受到重力和曳力的作用,先减速上扬最大高度后开始沉降;在气力输运阶段,大部分煤尘颗粒重回边界层内,在竖直方向上的运动趋于稳定,主要表现为在曳力的作用下,向着隧道出口处移动。煤尘颗粒群在加速上扬阶段和沉降阶段分别发生了一次翻滚运动,颗粒群是以“滚动”的形式向前运动的。综上所述,本文主要研究了沉积煤尘在爆炸冲击波的诱导下,从“静止—上扬—沉降”的整个周期运动过程,为井下煤矿防爆抑爆措施的制定提供了一定的参考依据。
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