基于CESE方法的煤矿风井泄爆全过程模拟与消波增效研究

为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法,针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法,建立了系列全尺寸三维仿真模型,利用LS−DYNA软件的CESE求解器,进行了全过程流固耦合模拟分析。结果表明:现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射冲击波且不能快速有效地予以消弱,致使风硐中先后出现可对风机造成二次冲击的2道冲击波;去除防爆门立壁结构对提升泄爆效果作用不明显,但可使防爆门受到的冲击明显减弱;在一定范围内,减轻防爆门质量对提高泄爆效果的作用较为有限,且会使防爆门吸收的爆炸能量明显增加;在增量不大的情况下,增大防爆门到风井和风硐交岔点的距离即能有效改善泄爆效果;侧向和正向先行泄爆方法均能明显增强泄爆效果,并对防爆门有显著的减冲和保护作用,在算例条件下,最优可使反射波超压峰值下降49.4%和28.3%;防爆门开启时间、泄爆面积和防爆门到风井/风硐交岔点的距离是影响泄爆效果的重要因素;风井达到良好泄爆效果所需要的开启时间比现行防爆门要短得多;仅在井口设置防爆门存在不能消减风硐中第1道冲击波超压峰值的局限性。基于对风井泄爆过程、机理和方法的新认识,提出了以“两区域多通道”泄爆为特征的主辅防爆门协同泄爆方法,以系统提升风井泄爆效果和防爆水平。

受限空间侧向双口泄爆对甲烷爆炸特性的影响研究

为了减小受限空间燃气泄漏爆炸带来的风险和损失,利用自主搭建的小尺寸实验平台,研究泄爆面积及位置对甲烷爆炸特性的影响。结果表明:火焰锋面到达舱室末端的时间随着泄爆口与点火源之间距离的增加而缩短;当泄爆口开设在舱室上游1、2位置时,随着泄爆口面积的增大,火焰锋面到达舱室末端的时间缩短,火焰传播速度降低至10.59 m/s,空间内最大爆炸压力持续升高,且超压峰值最小值出现在泄爆口尺寸40 mm × 40 mm处,为8.92 kPa;当泄爆口开设在舱室下游3、4位置时,随着泄爆口面积的增大,火焰锋面到达舱室末端的时间延长,最大火焰传播速度可达到24.39 m/s,空间内最大爆炸压力先降低后升高,且超压峰值最小值上升至12.6 kPa,出现在泄爆口尺寸60 mm × 60 mm处。若对受限空间侧壁采用双口泄爆,增加泄爆面积并不能使受限空间内的最大爆炸压力降低;泄爆位置距离点火源越近,泄爆效果越好。

非对称泄爆条件下甲烷爆炸双向传播特性的研究

为探究非对称泄爆条件下甲烷爆炸双向传播特性,利用自主搭建的小型爆炸试验系统,对不同点火位置和左端泄爆口面积下甲烷爆炸双侧火焰传播速度和爆炸超压进行了试验研究。结果表明:非对称传播情况下,距离泄爆口较近的右侧火焰的传播速度更快;左端泄爆口面积的减小会进一步促进右侧火焰传播,同时抑制左侧火焰传播,当泄爆口面积小于或等于90mm×90mm时,左侧火焰出现逆流现象;随着左端泄爆口面积的减小,点火源两侧压力、压力差和最大压力上升速率均增大,从而导致爆炸指数增大,提高了爆炸危险性。

多孔材料对泄爆管道LPG爆炸抑制效应的影响研究

为探究多孔材料对泄爆管道液化石油气(LPG)爆炸传播特性的影响特征,采用自主搭建的气体爆炸测试平台,分析不同厚度及孔隙度的碳化硅多孔材料对火焰传播特性和爆炸超压的影响。结果表明:安装多孔材料可有效阻止泄爆管道中LPG爆炸火焰的传播;随着多孔材料孔隙度和厚度的增加,LPG火焰的传播距离、传播速度和强度均减小,其中,材料孔隙度对阻火效果的影响更大;同时多孔材料可降低泄爆管道中LPG的最大爆炸超压,当材料安装位置后端气体未被引燃时,增加多孔材料的孔隙度和厚度,材料前端(PT1、PT2)的最大爆炸超压增大,材料后端(PT3)的最大爆炸超压接近于静态破膜压力。材料孔隙度和厚度的阻火效应表明:在工程应用中,当材料强度达标后,应优先考虑增加材料的孔隙度来进行阻火。

工业弯管泄爆口位置对爆炸湍流的影响分析

为研究弯管泄爆对气体爆炸的影响,基于试验测试和数值模拟(FLACs软件)分析管道泄爆状态下湍流的变化规律。结果表明:在试验条件下,封闭管道弯管内4.8 m处监测点湍流动能峰值为5 745.42 m^(2)/s^(2),开口泄爆后该点湍流动能增幅为8.4%;当改变泄爆口位置时,弯道处监测点测得最大湍流动能相较于封闭管道该处最大湍流动能增幅为20.84%,弯管处湍流动能比直管最大增加了314%,影响因素主要为管道结构和泄爆口产生的排放和诱导作用;不同工况下内径0.125 m管道上泄爆口处最大湍流动能随着泄爆口位置和点火点之间的距离的增大而先增大后减小,二者的关系可拟合为一维高斯函数(Gauss Amp),拟合结果显示湍流动能最大为13 352.55m^(2)/s^(2),此时泄爆口的孔口效应和流量限制都增大了湍流强度,导致更快的爆炸气流流出速度及更高的气体燃烧率,冲出气流携带的能量较大,对周围设施的危害影响最大。

运用NFPA68进行液硫池泄爆面积计算的研究

液硫池是硫磺装置储存液硫产品的必备装置,它收集硫磺装置各级冷却器冷却经硫封后的液态硫磺,液态硫磺中H_(2)S浓度通常会达到约300μg/g,为减少H_(2)S气体浓度,会采用液硫脱气技术来脱除液硫中的H_(2)S气体,将其H2S浓度降低至10μg/g。因此,液硫池分为两个区:液硫脱气区和产品区,液硫经脱气设施脱气后溢流至产品区,通过液硫提升泵送出。由于液硫池中H_(2)S的存在,可能导致液硫池气相空间聚集大量H_(2)S气体,从而导致闪爆的发生。为避免爆炸带来的伤害及风险,首先应保证脱气设施运行正常,而最终的保护手段是利用泄爆口将爆炸产生的压力释放出去,目前并未有文献来探讨到底如何计算泄爆口。本文以中东某硫磺回收装置液硫池为例,探讨如何采用NFPA68-2018爆炸泄压指南来计算液硫池泄爆面积,这对于国内硫池泄爆口的设计有参考意义。

泄爆条件对管内气粉两相混合体系燃爆特性的影响

为探究气粉两相混合体系泄爆特性变化规律,以甲烷-硝酸铵为实验介质,利用自行搭建的不锈钢火焰加速管道开展了泄爆口不同静态动作压力(p_(st))的燃爆实验,着重研究了p_(st)对气粉两相燃爆压力、火焰传播速度和泄爆火焰形态的影响规律。p_(st)由泄爆口阻塞比(θ)和泄爆膜层数(n)决定,θ和n增大的共同作用使p_(st)升高。p_(st)升高将增强管道对气粉和反应产物冲出管外的约束,增大管内流体的黏滞效应,促进管内气粉两相反应,降低未燃气在管外二次爆炸的强度。对爆燃压力进行分析,发现p_(st)从2.97 kPa升高至14.64 kPa时,爆燃压力时程曲线呈含维稳平台的双峰结构。第一压力峰值从5.48 kPa增大至10.20 kPa,维稳时间从6 ms延长至25 ms,第二压力峰值从23.03 kPa减小至9.71 kPa;p_(st)为16.08和24.12 kPa时,破膜前压力多次叠加反射,致使泄爆膜压力时程曲线呈特殊振荡上升的三峰结构。对火焰传播速度进行分析,发现p_(st)升高使火焰的平均传播速度从161.33 m/s降低至67.99 m/s。对泄爆火焰进行分析,发现当n=2时,θ增大将使泄爆火焰结构由簇状转变为射流状;θ=88.9%时,泄爆火焰呈典型的射流状。θ增大和n增大均使火焰亮度逐渐降低,火焰发光区长度减小,破膜至火焰出现时间间隔和火焰持续时间延长。

爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响

研究了不同位置炸药爆炸作用下钛合金定向泄爆容器的冲击响应。通过试验与数值模拟,分析了100 g TNT炸药放置不同位置时容器的抗爆性能和冲击端头的飞行角度,并以限制罐体运动为目的,对罐体轴向受力进行了分析。研究表明:爆炸物位于轴线时,罐体产生弹性形变;紧贴内壁中间位置时,罐体外壁鼓包并贯穿开裂;紧贴内壁近端头处时,罐体外壁凸起。100 g TNT炸药作用下,冲击端头出口速度均值为124.45 m/s、最大偏角为2.3°,且爆炸物位置对端头出口速度影响较小。爆炸物位于轴线前、后端时,轴向力较爆炸物位于轴线中心时分别增大173%和116%。该研究可为民机定向泄爆容器及连接结构设计提供参考。

内爆载荷下民机用定向泄爆容器结构的动态响应

为保证民机航空安全、满足民机抗爆结构设计要求,研究不同当量TNT内爆冲击下民机用定向泄爆容器结构的动态响应。设计用于民机上爆炸物危险排除的定向泄爆容器,通过爆炸试验验证泄爆容器的可靠性,确定泄爆容器的爆炸物临界包容当量为42 g。进一步对该泄爆容器在不同当量内爆载荷下的动态响应进行数值仿真,分析塞块的运动过程以及内爆载荷对泄爆容器的作用机理。研究结果表明:剪切销在爆炸冲击波作用下剪切断裂,剪断过程中塞块发生振动,剪切销剪断后塞块持续加速,容器内最终产生约7.5 MPa的准静态压力,塞块冲破机身壁板后匀速飞出,容器泄压并自泄爆口向内形成约0.38~0.85 MPa的压强梯度;TNT当量对塞块飞行速度的影响明显,塞块飞行速度随当量的增加而提高,且提高率不断减小。所得研究结果可为民机防爆容器的设计以及应用提供支撑。

工业弯管泄爆口位置对火焰传播的影响分析

为研究弯管泄爆对管内气体爆炸的影响,基于实验研究和数值模拟分析管道泄爆后爆炸火焰及温度的变化规律。结果表明:实验条件下,封闭管道弯管处监测点P4火焰温度峰值为1780.29 K,泄爆后该点火焰温度峰值增幅为7.58%,泄爆后弯管区域火焰温度升高。不同泄爆口位置工况下监测点最高火焰温度为2122.53K,比封闭管道火焰温度峰值高19.22%,火焰阵面、前驱波流动及高温分布主要受泄爆口排放、诱导作用及泄爆口内外压差的影响。随泄爆口位置和点火点之间距离的增加,内径0.125m弯管处最高火焰温度先减后增,呈正弦函数(SineSqr);随泄爆口位置的弯度加大,泄爆口处的火焰温度升高;泄爆口位于4.753m时,泄爆口处的火焰温度最低,对管道周围设施的危害影响最小。研究结果为工业弯管泄爆口的选择和泄爆火焰防范提供了科学参考。

煤磨系统一次热风管道泄爆面积确定方法研究

为降低火力发电厂煤粉制备工艺过程中潜在的粉尘爆炸风险,对一次热风管道泄爆面积定量确定方法开展研究。首先,以不同地区3个发电厂所用煤粉为例,通过实验测试得到最大爆炸压力和爆炸指数;然后,利用Ansys软件分析计算某型号中速磨机一次热风管道的抗爆强度;最后,依据《粉尘爆炸泄压指南》标准计算得到中速磨机一次热风管道的泄爆面积。结果显示:实验得到煤粉爆炸压力和爆炸指数均先随浓度的增加而增加,达到最大值后又随浓度的增加而降低;模拟计算得到一次热风管道的抗爆强度为0.014~0.14MPa;针对3个发电厂煤粉和抗爆能力不同,一次热风道需要的泄爆面积分别为0.33~0.09m^(2)、0.38~0.1m^(2)、0.2~0.06m^(2)。以上研究成果对于煤磨系统一次热风管道的泄爆设计具有参考价值。

放射性废物焚烧炉设置泄爆装置的必要性分析

放射性废物焚烧过程中,有机气体积聚等工况下可能发生燃爆,通过调研国内外放射性废物焚烧设施,以及国内核设施、锅炉安全等方面的法律法规,针对不同源项下的放射性废物焚烧系统,分析设置泄爆装置的必要性。分析认为,放射性固体废物焚烧设施非常有必要设置泄爆装置,放射性有机废液焚烧设施设置泄爆装置可以进一步提高系统安全性。放射性废物焚烧系统应采取严密的防爆设计,尽可能避免燃爆事故的发生。

侧壁套管泄爆作用下瓦斯爆炸特性研究

为探究出一种新型高效的煤矿瓦斯爆炸应对方法,基于自主搭建的爆炸实验平台,爆炸管道侧壁设有套管泄爆腔体,通过设置不同泄爆口间距,研究甲烷爆炸的火焰形态、火焰传播速度及爆炸超压等爆炸特性。研究结果表明,套管泄爆作用下,爆炸火焰传播速度被显著控制。瓦斯爆炸最大火焰传播速度从无侧壁的27.13 m/s,降低到了18.81 m/s和14.52 m/s,最大衰减率为47.33%。同时,在侧壁套管泄爆作用下,无论是管道上游和管道下游的爆炸超压峰值相比于无侧壁泄爆都有所减小,其中最大衰减率可达35.5%。研究结果可为煤矿瓦斯爆炸的预防和控制提供理论基础,促进煤矿安全技术的发展和创新。

侧泄爆口数量对受限空间内氢气甲烷爆炸特性的影响

为了减少受限空间内氢气甲烷爆炸的危害,采用实验的方法在方形管100 mm × 100 mm × 1000 mm中开展爆炸试验,借助高速摄像技术和压力采集技术,研究了侧泄爆口数量对掺氢甲烷爆炸特性影响。结果表明:当第一个泄爆口开设在距离点火源200 mm时,随着泄爆口数量的增加,火焰在传播至第一个泄爆口的速度不受泄爆口数量的影响,火焰经过泄爆口后,火焰结构被破坏失去加速的基础。火焰在两个泄爆口之间时,在流场的作用下会略微加快火焰速度。但增加泄爆口的数量,下游的超压越来越小,但上游超压双口泄爆和三口泄爆的相差不大。

不同阻塞比下甲烷泄爆峰值超压变化规律试验研究

为探究天然气泄爆过程内部压力变化规律,利用10 L有机玻璃管道试验装置进行了系列甲烷-空气预混气体爆炸试验,以此为基础分析了管道末端阻塞以及中部阻塞两种工况下甲烷-空气预混气体泄爆时管内峰值超压、峰值超压持续时间、Helmholtz振荡升压速率随泄爆面积的变化关系。试验结果表明:末端阻塞工况下前峰和后峰峰值超压均随着泄爆面积的减小而升高,而中部阻塞工况下位于爆炸腔体外传播管道内部后峰峰值超压随着泄爆面积的减小而不断降低;峰值超压持续时间方面,前峰超压持续时间与泄爆面积关系不大,后峰超压持续时间受泄爆面积影响明显;中部阻塞及末端阻塞两种工况下爆炸升压速率变化情况不具有一致性,中部阻塞时爆炸升压速率随阻塞率先增大后减小,60%阻塞率时出现极大值。末端阻塞时爆炸升压速率随阻塞率先减小后增大,60%阻塞率时出现极小值。

刚/柔性障碍物对甲烷/空气预混气体泄爆动力学的影响

为探究刚/柔性障碍物对甲烷/空气泄爆行为的影响,采用自主搭建的连接容器(20 L球形容器连接4 m长爆炸管道和0.5 m长泄压管道)试验系统,研究不同阻塞比与厚度的刚性/柔性障碍物对甲烷/空气爆炸超压及泄爆火焰的影响。结果表明,在球形容器内,随阻塞比和厚度增加,峰值超压与最大升压速率相应增大,在阻塞率为80%和厚度为0.40 mm时峰值超压分别达到了190.4 kPa和273.5 kPa,最大升压速率分别为4.32 MPa/s和7.32 MPa/s。在管道末端,随柔性障碍物厚度增加,爆炸超压与升压速率同样大幅度提升。而随刚性障碍物阻塞比增加,峰值超压和最大升压速率先上升后下降。在设置刚性和柔性障碍物后,泄爆管道内均出现二次爆炸的现象,不同的是,二次爆炸的剧烈程度随柔性障碍物厚度增加而上升,而随刚性障碍物阻塞比增加呈现先增加后降低的趋势。

侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响

瓦斯爆炸是我国煤矿开采的长期安全问题,为研究不同形状障碍物对侧向泄爆口泄爆效果的影响,采用数值模拟的方法,利用Fluent软件分析小尺寸管道中各测点的超压和火焰传播速度变化曲线以及火焰传播温度和速度矢量在各个时间段的云图,研究不同形状障碍物和侧向泄爆口耦合作用下管道内瓦斯爆炸后超压变化和火焰传播特性变化规律。结果表明:在矩形障碍物和梯形障碍物的管道中,侧向泄爆口的存在会影响湍流火焰,使障碍物后方旋转的火焰由于内外压差被侧向泄爆口排出;而对于圆形障碍物,由于其弧形表面和侧向泄爆口的存在,使通过障碍物下方的火焰沿着障碍物壁面流向侧向泄爆口,对火焰传播速度的影响较小;火焰通过管道左端泄爆口的时间表现为无障碍物>圆形障碍物>梯形障碍物>矩形障碍物。

管道侧向泄爆火焰传播的数值模拟研究

为研究侧向导管对管道内甲烷爆炸特性的影响,利用数值模拟建立管道模型,通过改变侧向导管的位置、长径比和数量,观察火焰和压力的变化过程,总结出侧向导管对管道内甲烷爆炸影响的规律。研究结果表明:随着侧向导管逐渐远离点火端,压力峰值由22.4 kPa上升到25.2 kPa,相较于无侧向工况,泄放效率由20%下降到10%,泄爆效果逐渐减弱;随着侧向导管长径比的降低,压力峰值由24.3 kPa下降到20.7 kPa,相较于无侧向工况,泄放效率由13.2%上升到26.1%,泄爆效果逐渐增强;随着侧向导管数量的增多,压力峰值由22.4 kPa下降到17.6 kPa,相较于无侧向工况,泄放效率由13.2%上升到26.1%,泄爆效果逐渐增强。

爆炸泄压装置型式试验和泄爆效率计算

介绍了爆炸泄压装置及其实际测试情况,结合实际测试和计算经验,论述了对测试方法的理解。

柱形容器开口泄爆过程中压力发展特性的实验研究

在体积为 0 0 2 5m3 的柱形容器中 ,采用底端中心点火方式 ,对 4 1%的丙烷 空气、9 5 %甲烷 空气预混气的顶端开口泄爆过程进行了实验研究。实验结果给出了不同泄爆面积和不同泄爆压力条件下容器的内压力发展历史。就不同泄爆条件对容器内爆炸发展产生的影响进行了讨论。