管道壁面特性对瓦斯爆炸传播的影响

第34卷第4期煤 炭 学 报V o.l 34 N o .4 2009年4月J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY A pr . 2009 文章编号:0253-9993(2009)04-0492-05瓦斯爆炸过程中的流体力学行为周忠宁,菅从光,高健康(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221008)摘 要:实验研究了瓦斯爆炸过程中壁面粗糙度和管道截面积突变这2种因素所引起爆炸流场改变对火焰传播和爆炸波的影响:爆炸火焰速度由壁面粗糙度为2mm 时的27511m /s 急剧增加到壁面粗糙度为4mm 时的580126m /s ,然后又下降到粗糙度为6mm 时的369105m /s ;管道截面积突然扩大或缩小均引起爆炸火焰速度迅速增加,火焰速度由L /D =16时的1512m /s 增加到L /D =165时的128717m /s .理论分析了由紊流导致的火焰速度变化在这2种工况变化管路中的不同表现以及爆炸过程中的紊流、激波、摩擦管流及拉瓦尔喷管效应等流体力学行为.研究结果表明:由壁面粗糙度及管道截面积变化导致的紊流会使火焰传播速度大幅上升,但紊流只是诱导火焰加速的一个次要因素,由于管道截面积突变引起的拉瓦尔喷管效应是导致火焰加速、加剧瓦斯爆炸烈度的根本原因.关键词:瓦斯爆炸;流体力学;壁面粗糙度;紊流;拉瓦尔喷管效应中图分类号:TD71217 文献标识码:A收稿日期:2008-12-15 责任编辑:毕永华 作者简介:周忠宁(1979)),男,江苏沛县人,博士研究生.T e:l 0516-********,E -m ai:l zz nw t @1631com Flui d m echanics behaviors i n gas expl osi onZ HOU Zhong -n i n g ,JIAN Cong -guang ,GAO Jian -kang(School o f Infor m ation and E lectrical Eng i n e ering,Ch i na University of M ining and Technol ogy,X uzhou 221008,China )Abst ract :The effects on fla m e propagation and explosion w ave caused by the w a ll roughness and pipe li n e chang ing i n gas explosion w ere exa m i n ed experi m entall y :fla m e speed gre w fro m 27511m /s to 580126m /s shar p l y w hen the w a ll r oughness changed fro m 2mm to 4mm,then droped to 369105m /s w hen t h e w all roughness changed to 6mm.W hen t h e pipe li n e area expanded or reduced suddenly ,the fla m e speed rap i d ly i n creased fro m 1512m /s (L /D =16)to 128717m /s (L /D =165).The different perfor m ance o f the fla m e speed wh ich caused by the tur -bulent flo w i n these t w o k i n ds o f p i p eline a lso w ere theoreticall y stud ied .The fl u i d m echan ics behav i o rs i n gas ex -plosion ,such as the turbulent flo w ,the shock w ave ,the friction pipe flo w and the Laval nozzle effec,t w ere ana -l y zed .The results i n dicate that the turbu l e nt flo w caused by the w all r oughness and the p i p eli n e area can lead to the fla m e speed ra ised large ly ,but the tur bulent flo w only is a secondary factor w hich induced the fl a m e acce leration ,t h e Lava l nozzle effect is basic facto r wh ich caused the fla m e acce leration ,the gas exp l o sion intensity aggravati n g .K ey w ords :gas exp l o sion ;fluid m echanics ;w all roughness ;t u rbu lent fl o w;Lava l nozzle effect由于瓦斯爆炸的复杂性、快速性、危险性以及实验条件等限制,目前在瓦斯爆炸理论中还有许多问题没有得到解决[1].尤其是瓦斯爆炸过程中由于粗糙壁面及巷道截面突变引起的紊流和激波及其对火焰传播的影响,一般认为紊流是导致瓦斯爆炸过程中火焰速度上升、爆炸烈度加剧的根本因素[2-3].本文以实验和理论分析为基础,给出了其流体力学行为的理论解释.第4期周忠宁等:瓦斯爆炸过程中的流体力学行为1 瓦斯爆炸能量平衡理论[4]在管道(巷道)瓦斯爆炸传播规律的研究中,由于波的强度、速度等参数在传播过程是变化的,通图1 管内瓦斯爆炸能量平衡示意F i g 11 Energy ba l ance i n g as exp l o si on 常按一维不定常流动处理.管内瓦斯爆炸能量平衡方程推导如图1所示,管内瓦斯爆炸在d S 时间内火焰波阵面前移d x 1距离,释热D Q ,此过程中向管壁由对流和热辐射散热D Q 1,通过导热、热辐射和扩散向未燃气体传热D Q 2,通过膨胀做功,爆炸波能量、产物动能增加d E s ,d E k ,同时间内爆炸波(激波)阵面前移d x 2,由能量平衡得D Q =D Q 1+D Q 2+dE s +d E k +d R m ,(1)式(1)两边同除d S 得到爆炸释热速率,即管内瓦斯爆炸能量平衡方程式为Q #=Q #1+Q #2+Q E #s +E #k +R #m =F 1(T g -T w0)1A +D K+A 1E g R 0T 4g F 1-K g1F 29T 9x +A g1E g R 0T 4g F 2-K eff F 29T 9x +D s F 1(p 1-p 0)+D c f F 2Q 1u 222-u 212+R #m ,(2)式中,R #m 为综合爆炸过程中气体与管壁摩擦、激波压缩等各项损失的能量损失率;F 1,F 2分别火焰波前后截面处面积;T g 为火焰、高温燃烧产物温度;T w0为管壁外表面温度;A 为火焰高温燃烧产物与管内壁对流换热系数;D 为管壁厚;K 为管壁钢管导热系数;A 1为管壁面对高温燃烧产物投入辐射的吸收率;E g 为高温燃烧产物的黑度;R 0为黑体辐射常数;K g1,A g1分别为未燃气体的导热系数和吸收率;9T /9x 为火焰阵面在传播方向的温度变化率;K e ff 为气体有效导热系数;D s,D f 分别为激波速度和火焰波速度;D c f 为瓦斯混合气体燃烧速度;p,u,Q ,e,h,T 分别为气体压力、气流速度、气体质量密度、比内能、焓、气体温度,下标0,1,2分别代表爆炸波后、火焰波前、火焰波后的位置.图2 瓦斯爆炸实验系统F i g 12 T est syste m o f gas explosi on2 瓦斯爆炸实验系统瓦斯爆炸实验中所用的/瓦斯爆炸实验系统0结构如图2所示.(1)瓦斯爆炸实验腔体.实验中的爆炸实验管道是内径为80mm @80mm 的方管,用厚12mm 的16M n 钢板焊制,耐压值达到20M Pa .每节管长度分别为015,110,115,215m,管道有火焰、温度、压力传感器和点火装置的安设孔.整体组合后的管道安放在组合式支架上,支架用YB164-63轻型槽钢焊制,结构稳定,装卸灵活.(2)动态数据采集分析系统.实验中选用TST3000动态数据采集系统,该系统具有16个通道(采样率20%,采样精度10b i,t 采样长度1m ),整个采样通道采用并行工作模式,各通道的时差在3ns 内,能满足微秒级数据采集速度的要求.(3)火焰速度测量系统.采用光敏三极管作为传感器,将光信号转换为电信号,调制后放大输出,其采集速度达到了微秒级.(4)压力测量系统.实验采用YD205型石英压电传感器,每一传感器均用独立的YE5852型电荷放大器配合.(5)点火装置.该装置采用简易操作型的电容储能高压电火花点火装置,其输出功率为20~100J .493煤 炭 学 报2009年第34卷利用管道抽真空后形成的负压,将配好一定浓度的瓦斯空气混合气体(C H 4,浓度915%)送入管道.3 实验结果及分析在瓦斯爆炸过程中,火焰传播速度、爆炸波是表征瓦斯爆炸特征的2个主要指标[5].针对这2个参数进行实验研究,得出不同实验条件下瓦斯爆炸的规律.实验用的瓦斯爆炸管道是总长度为4m 的短管,内径为80mm @80mm.311 壁面粗糙度对瓦斯爆炸的影响31111 实验研究图3 不同粗糙度时的火焰速度峰值和超压峰值F i g 13 Peak o f fla m e speed and overpressure i n different roughness 实验中将光管以及1~8mm的表面粗糙层高度进行研究(实验管路两端开口),得到不同粗糙度和光管的速度传播与超压峰值(实验中峰值均发生在L /D =28处)规律的曲线,如图3所示.从图3(a)可看出,火焰速度峰值从光管到2mm 粗糙管工况以近直线的方式上升,达到27511m /s .而3mm 粗糙管工况的火焰速度峰值为269127m /s ,比2mm 工况低.到4mm 工况时,速度峰值急剧增加到580126m /s ,是2mm 工况的2115倍.6和8mm 工况的火焰速度峰值分别为369105和316117m /s ,呈下降趋势.由图3(b)可以看出,峰值超压从光管到2mm 粗糙管也是以近乎直线的方式上升,达到34819kPa .3mm 工况下降到34811kPa ,下降幅值不大.但是4mm 工况的超压峰值达到50814kPa ,是2mm 工况的115倍.此后,6和8mm 工况的超压峰值下降至39317和31711kPa .同时实验中用拍摄速度为1000幅/s 的高速摄影系统,在距点火端3m 处,对不同粗糙度管中的火焰传播进行摄影.从火焰传播图像分析得出各种工况下火焰传播过程是相似的.图4为粗糙度为4mm 时管内瓦斯爆炸火焰传播图像.第1至5幅为开始阶段的火焰图像,火焰基本上是整体向前传播的;第36至第40幅为中间阶段的火焰传播图像,火焰基本上整体向后运动.图4 火焰传播图像F i g 14 I m age of fl am e propagation31112 理论分析燃烧区的向前流动传播处于较高宏观速度并且微观脉动非常强烈的湍流状态,火焰在管道内传播时,和其它流体一样在管壁附近存在混合边界层,当Re 变大和壁面粗糙度变大时,会使壁面的粗糙凸起,透过边界层导致层流变为紊流,使得紊流的核心区朝壁面附近扩展,使黏性底层变薄,流体几乎是直接撞击壁面上粗糙层的凸起,增加了紊流度[6].当管内粗糙壁面诱导紊流或使紊流度增大时,加大了燃烧速率,494第4期周忠宁等:瓦斯爆炸过程中的流体力学行为增大了爆炸释热速率,由管内瓦斯爆炸能量平衡方程式(2)可知,会使向未燃气体的传热量和激波能量(强度)增大,两者均使火焰燃烧速度(传播速度)进一步增加.同时,由粗糙管道湍流的达西摩擦因子表达式[7]K =2f 1[R e,e /D ],R e 为管内平均雷诺数;e /D 为管道相对粗糙度,可知,当R e 和e /D 增大(火焰传播速度增加)时,摩擦力也大大增加(紊流中有流体微团剧烈的横向掺混),此时直管内的火焰传播为等截面的摩擦管流.等截面摩擦管流都有其确定的极限管长,当火焰在管路中流动时,在极限管长的管段发生了壅塞现象,流速达到了声速(此时的声速随着气体的温度升高而升高).壅塞使得气流压强增高,对于亚声速火焰气流,由于火焰气流压强增高,扰动可以逆流往上游传播(火焰逆流现象如图4所示),同时减小了气流速度;对于超声速火焰气流,壅塞引起的压强增高将产生激波,激波之后是亚声速气流.对于直管内的火焰流动,由于壁面粗糙度的存在既引入了较大的总阻力,同时也因为增加了燃烧区的紊流度而加速燃烧产生能量以推动反应进行和加速传播.摩擦的存在使得火焰的传播速度最大值向声速靠近,壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用.实验结果所反映出来的火焰峰值速度(向声速靠近)、爆炸波超压峰值随粗糙度变化的双峰三区曲线[8]及爆炸过程的火焰图像验证了上述理论分析的合理性.312 管路面积突变对瓦斯爆炸的影响31211 实验研究实验管路设置如图5(实验管路出口端封闭)所示,图6为变截面管道对瓦斯爆炸传播速度的影响.由图6可以看出:当管道截面积突然扩大或缩小时,火焰速度均迅速增加,火焰传播速度关系曲线斜率最高,即加速程度最大.由L /D =16(管道变截面前)的1512m /s 增加到L /D =22(管道面积突扩)时的16211m /s ,L /D =28(管道面积突缩)时的26019m /s ,然后逐渐加速,在L /D =165处达到最大值为128717m /s.31212 理论分析面积的突变打破了直管中火焰加速)壅塞(音速附近))激波)火焰速度下降这样的平衡,面积变化的管道实际上变成了拉瓦尔喷管的作用:使得高温高压火焰气体的热能转换成高速气流的动能,马赫数M a <1的火焰气流在管道截面减少时得到了加速,M a >1的火焰气流在管道截面增加时得到了加速,使得火焰速度达到了约4倍音速.由能量守恒方程可知,瓦斯爆炸提供的热能保证了火焰高速时的高温高压,这样就形成管内瓦斯爆炸加速过程中火焰、激波之间的正反馈传播机制,诱导激波的位置前移,最强激波位置前移,激波强度增加(图7),加剧了瓦斯爆炸的破坏力.4 结 论由粗糙壁面及管道面积导致的紊流会使火焰传播速度大幅上升.粗糙直管管内的紊流流动阻力与紊流加剧能量释放速率这一对矛盾影响因素强弱决定了壁面粗糙度影响瓦斯爆炸过程的趋势,使得火焰的传播速度最大值向声速靠近.在变截面瓦斯爆炸过程中,紊流只是诱导火焰加速的一个因素,由于管道面积突495煤 炭 学 报2009年第34卷图7 管道面积突变对瓦斯爆炸波的影响F i g 17 Effect of p i peli ne area chang i ng on explosi on wave i n gas expositi on变导致的拉瓦尔喷管效应是导致火焰加速、加剧瓦斯爆炸烈度的根本因素.综合以上的分析,在影响瓦斯爆炸过程火焰传播中的因素中,管道内各种结构诱导的紊流并不起决定作用,管道本身结构影响更大.因此在抑制井下巷道瓦斯爆炸传播过程的爆炸强度、减少爆炸造成的损失方面,要尽可能减少不必要的巷道断面面积突变.参考文献:[1] 徐景德.我国煤矿瓦斯爆炸的研究现状与发展方向[J].华北科技学院学报,2003,5(2):5-8.Xu Ji ngde .T he actua l conditi on and deve l oping d i rection o f g as explosi on acc i dents studying i n China [J].Journa l o f N orth Ch i na Instit ute o f Sc ience and T echno l ogy ,2003,5(2):5-8.[2] 翟 成,林柏泉,菅从光,等.壁面粗糙度对瓦斯爆炸火焰波传播的影响[J].中国矿业大学学报,2006,35(1):101-105.Z ha i Cheng,L i n B aiquan ,Jian Congguang,et a.l Infl uence o f w all roughness on fla m e trans m ission of g as explosion [J].Journa l o f Ch i na U n i versity o fM ini ng &T echno l ogy ,2006,35(1):101-105.[3] 林柏泉,菅从光.湍流的诱导及对瓦斯爆炸火焰传播的作用[J].中国矿业大学报,2003,3(2):107-108.L i n Ba i quan ,Jian Congguang .Induce m ent o f t u rbu l ence and its effect on fi re trans m i ssi on i n g as explosi on [J].Journa l of Ch i na U n i versity o fM i ni ng &T echno l ogy ,2003,3(2):107-108.[4] 菅从光.管内瓦斯爆炸传播特性及影响因素研究[D ].徐州:中国矿业大学,2003:71-73.Jian Congguang .R esearch on i nfl uenc i ng factors and propaga tion character istics of g as exp l osion [D ].X uzhou :China U n i ve r -sity o fM i ning and T echno logy ,2003:71-73.[5] 菅从光,林柏泉,宋正昶,等.湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用[J].实验力学,2004,19(1):39-43.Jian Congguang ,L i n Ba i quan ,Song Zhengchang ,e t a.l Induction of turbulen t fl ow and its eff ec ts on fla m e and expl o si on w av e i n gas explosi on [J].Journa l o f Experi m enta lM echan i cs ,2004,19(1):39-43.[6] 周光炯,严宗毅,许世雄,等.流体力学[M ].北京:高等教育出版社,2000.Z hou G uang jiong ,Y an Z ongy,i Xu Sh i x iong ,et a.l F l u i d m echanics [M ].Be ijing :H i gher Educati on P ress ,2000.[7] 孔 珑.工程流体力学[M ].北京:水利电力出版社,1990.K ong L ong .Eng i neer i ng fl u i d m echan i cs [M ].Beiji ng :W a ter Conservancy and E l ectric Pow er P ress ,2000.[8] 林柏泉,张仁贵,吕恒宏.瓦斯爆炸过程中火焰传播规律及其加速机理的研究[J].煤炭学报,1999,24(1):56-59.L i n Ba i quan ,Zhang R engu,i L H enghong .R esearch on accelerati ng m echan i s m and fl ame trans m i ssi on i n gas exp l os i on[J].Journal o f Chi na Co al Soc iety ,1999,24(1):56-59.496。

瓦斯爆炸在分岔管道中的传播1林柏泉，叶青，菅从光，翟成中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州（221008）摘要：根据管内瓦斯爆炸传播特性及其影响因素的研究成果，从理论和实验上对爆炸产生的火焰在分岔管道中的传播进行了研究，研究结果表明，分岔管道可以看成是一带楔型障碍物的面积突扩管道。

由于面积突扩和障碍物的诱导作用，产生湍流，火焰阵面发生扭曲并产生褶皱，火焰表面积显著增加，燃烧速率增大，并相应增加了释热速率，诱导冲击波的产生并增大冲击波的强度。

因此在矿井巷道开拓设计时，应尽量避免巷道分岔，同时避免巷道内障碍物的堆积。

在必须分岔时，应根据分岔巷道瓦斯爆炸传播规律来采取相应的预防措施，以阻止瓦斯爆炸的传播和降低强度，减少瓦斯爆炸带来的损失。

关键词：瓦斯爆炸分岔管道冲击波火焰1序言随着开采深度的进一步加深，地应力、瓦斯压力急剧增大，瓦斯涌出量急剧增加，以致瓦斯积聚和超限的地方增多；高强度机械化采掘和集约化生产，导致自然灾害的威胁更加突出、瓦斯爆炸灾害的威胁也日趋严重；大功率采煤机、掘进机和胶带运输机等机电设备摩擦产生火花引燃瓦斯爆炸的潜在危险性增大，导致瓦斯爆炸发生的概率增大。

瓦斯爆炸事故灾后调查及实验模拟发现，在巷道的拐弯、分岔处，破坏程度很明显。

以前国内外有关煤矿瓦斯爆炸传播研究成果基本上都是把巷道假设成一维直管路进行研究而取得的，很少有关分岔等复杂管路中瓦斯爆炸传播的研究成果。

因此对于一些老矿井，由于开采时间长，巷道非常复杂，拐弯、分岔的地方特别多，当瓦斯爆炸发生时，由于缺乏理论指导和没有采取相应的防治措施，将会带来更大的损失。

鉴于瓦斯爆炸事故对我国煤矿安全生产造成的严重威胁，煤炭生产在国民经济发展中占有举足轻重的地位，而且在今后相当长的时间内，我国仍然要以煤炭资源为主要能源。

所以笔者先对瓦斯爆炸在巷道中的传播进行理论分析，再在实验室模拟井下巷道分岔结构，对瓦斯爆炸过程中火焰、爆炸波通过分岔管道传播特性进行实验研究，然后进行理论分析，以期找到分岔管道中的传播规律，对瓦斯爆炸灾害防治提供理论指导。

( 安全管理 )单位：_________________________姓名：_________________________日期：_________________________精品文档 / Word文档 / 文字可改爆炸极限影响因素(通用版)Safety management is an important part of production management. Safety and production are inthe implementation process爆炸极限影响因素(通用版)压力混合气体的压力对爆炸极限有很大的影响，压力增大，爆炸极限区间的宽度一般会增加，爆炸上限增加，略使爆炸下限下降。

这是因为系统压力增高，其分子间距更为接近，碰撞几率增高，因此使燃烧的最初反应和反应的进行更为容易，所以压力升高，爆炸危险性增大。

反之，压力降低，则爆炸极限范围缩小。

待压力降至某值时，其下限与上限重合，此时的最低压力称为爆炸的临界压力。

若压力降至临界压力以下，系统就不爆炸。

因此，在密闭容器内进行减压（负压）操作对安全生产有利。

需要说明的是，压力的变化对爆炸上限影响很大，但爆炸下限的变化不明显，而且不规则。

各个文献间的计算结果有一定的差距。

温度常温下爆炸极限数据已很充足，然而摩擦生热、燃烧热等通过热传导、辐射、对流可以使环境温度高于常温。

在实际生产部门中，非常温下（高于室温）可燃气体被预期或非预期引爆的例子屡见不鲜，因此测定非常温下爆炸极限具有非常重要的意义。

一般来说，爆炸性气体混合物的温度越高，则爆炸极限范围越大，即：爆炸下限降低，上限增高。

因为系统温度升高，其分子内能增加，使更多的气体分子处于激发态，原来不燃的混合气体成为可燃、可爆系统，所以温度升高使爆炸危险性增大。

燃气的种类及化学性质可燃气体的分子结构及其反应能力，影响其爆炸极限。

对于碳氢化合物而言，具有C—C型单键相连的碳氢化合物，由于碳键牢固，分子不易受到破坏，其反应能力就较差，因而爆炸极限范围小；而对于具有C≡C型三键相连的碳氢化合物，由于其碳键脆弱，分子很容易被破坏，化学反应能力较强，因而爆炸极限范围较大；对于具有C=C型二键相连的碳氢化合物，其爆炸极限范围位于单键与三键之间。

《安全》2018年第7期专项研究31管道内置障条件下瓦斯爆炸传播规律的综述及展望*刘振乾 屈英杰 王孟飞中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院【摘 要】 对矿井瓦斯爆炸传播机理进行了分析，同时对不同障碍物数量、形状、阻塞率、位置、间距、结构条件下管道内瓦斯爆炸传播规律的研究现状进行综合评述，得出一些结论：障碍物的存在对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度具有显著的激励作用；不同的障碍物环境对瓦斯爆炸传播激励效应的影响程度是不同的；并提出了目前该研究存在的问题和未来发展方向。

【关键词】 矿井瓦斯；爆炸；障碍物我国95%的煤炭生产是井工开采，煤矿生产过程中的事故灾害有瓦斯爆炸、顶板塌陷、火灾、水灾、煤尘爆炸5大灾害；而在煤矿事故中，瓦斯爆炸事故发生频率最高，造成的灾害最严重，占煤矿总事故的30%以上[1]。

煤矿瓦斯爆炸严重限制矿井的生产，造成巨大的经济损失和人身伤亡。

煤矿瓦斯爆炸经常发生在存在障碍物群（如通风设备、机械设备、测试仪器、各种管道、隧道支架、矿井风门等）的巷道中，而障碍物对煤矿瓦斯爆炸的火焰传播及爆炸超压等其他表征爆炸破坏能力的参数有重要影响。

大量的研究表明，障碍物的存在对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度具有显著的激励作用，障碍物的存在导致瓦斯爆炸的火焰传播速度极大地增加，形成更强烈的爆炸超压。

掌握障碍物对瓦斯爆炸的影响，对维护人们的生命和财产安全具有重要的作用，故对管道内置障条件下瓦斯爆炸传播规律的研究有重要意义[2]。

1 瓦斯爆炸传播机理分析在瓦斯爆炸机理方面，国内外许多学者都对于预混瓦斯气体爆炸的化学反应机理进行了研究。

他们提出瓦斯燃烧和爆炸是一种复杂的物理化学过程，是热爆炸和链式反应机理综合作用的结果，两者相互促进，从而使甲烷的链式反应持续进行下去[3]。

矿井巷道中瓦斯爆炸绝大多数都可分为爆燃和爆轰2个阶段。

在爆炸初期，爆炸是以爆燃波的形式向前传播，这时也会形成较大破坏作用的爆炸冲击波，随着可燃气体的完全反应，爆燃波演变为爆轰波，最后衰减为声波[4]。

Mine Engineering 矿山工程, 2020, 8(3), 271-282Published Online July 2020 in Hans. /journal/me https:///10.12677/me.2020.83035文章引用: 沈子鹤, 叶青, 贾真真, 杨卓华, 朱邵飞. 瓦斯爆炸冲击波在变径管道中的传播特性[J]. 矿山工程, 2020, 8(3): 271-282. DOI: 10.12677/me.2020.83035Propagation Characteristics of Gas Explosion Shock Waves in Variable Diameter PipesZihe Shen, Qing Ye, Zhenzhen Jia, Zhuohua Yang, Shaofei ZhuSchool of Resource, Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan HunanReceived: May 26th , 2020; accepted: Jun. 10th , 2020; published: Jun. 17th , 2020AbstractIn order to study the propagation characteristics of gas explosion shock wave in pipeline section, using ANSYS/LS-DYNA to establish the variable diameter pipe model, the gas mixture gas with a length of 0.4 m and a concentration of 9.5% is filled at the closed end of the pipe, and the propaga-tion characteristics of the gas explosion shock wave in the variable diameter pipe are simulated numerically. The velocity and overpressure of each measuring point at the pipe center and the pipe wall were measured. The results show that: The explosion wave from the gas explosion has a com-plex reflection and a reflux in the pipe diameter area, increased explosive intensity in the pipe di-ameter area. In the short time after the explosion wave passed through the diameter cross-section, there was a higher secondary overpressure peak, and the impact on the wall of the pipe was more serious. Therefore, in the development design of underground roadway, in order to deal with the possible gas explosion disaster, it is necessary to avoid sudden change of roadway area or slow down the variation degree of roadway area.KeywordsVariable Diameter Pipe, Gas Explosion, Shockwave Overpressure, Reverse Flow, Numerical Simulation瓦斯爆炸冲击波在变径管道中的传播特性沈子鹤，叶 青，贾真真，杨卓华，朱邵飞湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭收稿日期：2020年5月26日；录用日期：2020年6月10日；发布日期：2020年6月17日摘 要为了研究管道截面突变对瓦斯爆炸冲击波的传播特性影响，利用ANSYS/LS-DYNA 建立变径管道模型，在沈子鹤 等DOI: 10.12677/me.2020.83035 272矿山工程管道封闭端填充长度0.4 m ，9.5%浓度的瓦斯混合气体，对瓦斯爆炸冲击波在变径管道内的传播特性进行了数值模拟。

《角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性研究》篇一一、引言在地下煤矿的复杂生产系统中，角联结构管网是一个重要且关键的部分，瓦斯在其中传递和扩散。

瓦斯爆炸是煤矿安全生产中的重大风险之一，因此研究角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性具有重要的理论和实践意义。

本文将探讨瓦斯在角联结构管网中的传播机制，以及这种结构下瓦斯爆炸动力的传播特性。

二、角联结构管网的特性角联结构管网主要由分支管道和连接节点组成，这种结构的特性使得瓦斯在其中可以发生多种复杂的流动和传播方式。

管道内瓦斯的传播和扩散受到管道尺寸、材料、连接方式等多种因素的影响。

此外，角联结构管网的复杂性也使得瓦斯爆炸的传播路径和影响范围具有不确定性。

三、瓦斯爆炸动力传播机制瓦斯爆炸是一种复杂的物理化学过程，涉及到瓦斯的燃烧、爆炸、传播等多个阶段。

在角联结构管网中，瓦斯的爆炸动力传播受到管道结构、瓦斯浓度、氧气含量等多种因素的影响。

在传播过程中，爆炸动力会引发管道内的压力变化，进而影响瓦斯的流动和扩散。

四、瓦斯爆炸动力传播特性的研究方法为了研究角联结构管网中瓦斯爆炸动力的传播特性，可以采用实验和数值模拟两种方法。

实验方法可以通过在真实的角联结构管网中进行瓦斯爆炸实验，观察和分析爆炸动力的传播过程。

数值模拟方法则是通过建立数学模型，利用计算机模拟瓦斯在角联结构管网中的传播和扩散过程。

这两种方法各有优缺点，可以相互验证和补充。

五、瓦斯爆炸动力传播特性的分析根据研究结果，角联结构管网中瓦斯爆炸动力的传播特性主要表现在以下几个方面：1. 传播速度：瓦斯的爆炸动力在角联结构管网中的传播速度受到多种因素的影响，包括管道材料、直径、壁厚等。

一般来说，管道直径越大，传播速度越快。

2. 传播路径：由于角联结构管网的复杂性，瓦斯的爆炸动力在传播过程中可能发生多次反射和折射，使得传播路径具有不确定性。

3. 影响范围：瓦斯的爆炸动力不仅会直接影响管道内的设备和人员，还会通过管道的连接节点和分支管道影响其他区域。

变截面管道对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟瓦斯爆炸是矿山、厂房等危险作业现场常见的一种事故，其损失惨重，严重影响企业生产和社会安全。

因此，控制和防治瓦斯爆炸的研究受到人们的广泛关注。

由于瓦斯爆炸具有复杂的外部模式和流动机制，很难在实际中对其进行有效控制。

数值模拟是对复杂问题的深入研究，它具有准确性高、节约时间等特点，而且具有更多的随机性和可控性。

在数值模拟的研究中，变截面管道对瓦斯爆炸特性的影响一直是比较关注的课题，以优化管道的运行性能。

近年来，许多研究者都在检验变截面管道对不同爆炸参数模式及爆炸过程产生的影响。

近年来，有学者提出了一种基于吸气流程的数值模拟方案，该方案利用了计算流体力学（CFD）的建模与求解技术，结合爆炸结构形变、激波波型及其详细分析以及激波爆炸原理，对变截面管道的瓦斯爆炸特性进行数值模拟。

通过对变截面管道的详细模拟，探究变截面管道爆炸特性与参数之间的关系，是理解变截面管道爆炸特性和优化变截面管道有效运行的重要技术手段。

基于上述数值模拟，结果表明，变截面管道对瓦斯爆炸特性的影响显著。

随着管道的长度和管径的增大，爆炸强度逐渐增加。

然而，当变截面管道内部流体流动拥有较大的湍流度时，其爆炸强度会逐渐减弱。

另外，随着管道内瓦斯分数的增加，爆炸强度也会相应增大。

本研究还发现，当管道内空气中氧气含量减少时，爆炸强度也会有所降低。

通过变截面管道对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟，模拟了变截面管道中瓦斯爆炸的特性，筛选出不同组合的参数，有助于管道的有效运行。

更重要的是，做出了变截面管道的优化配置，从而有助于控制瓦斯爆炸事故的发生，最大程度减少对安全环境的影响，起到了重要的预防作用。

《角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性研究》篇一摘要随着煤炭资源的开发利用，矿井安全问题愈发突出，其中瓦斯爆炸事故尤为关键。

角联结构管网作为矿井瓦斯气体的重要传输网络，其内部瓦斯爆炸的传播特性直接影响着矿井灾害的程度与影响范围。

本文针对这一问题，通过对角联结构管网中瓦斯爆炸的传播机理进行深入探讨，揭示其传播特性及规律，以期为矿井瓦斯爆炸的防控与救援提供理论支持。

一、引言瓦斯爆炸作为煤矿事故的重要形式之一，其发生机理和传播特性一直是国内外学者研究的重点。

角联结构管网作为瓦斯传输的主要通道，其复杂的网络结构使得瓦斯爆炸的传播具有独特性。

因此，研究角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性，对于预防和控制瓦斯爆炸事故具有重要意义。

二、角联结构管网概述角联结构管网是指由多条管道在特定角度交汇形成的网络结构。

这种结构在煤炭开采过程中广泛存在，是瓦斯气体传输的主要通道。

其复杂的网络结构使得瓦斯爆炸的传播受到多种因素的影响，包括管道材质、管道直径、交汇角度等。

三、瓦斯爆炸传播机理研究1. 初始爆炸阶段：在角联结构管网中，当瓦斯达到一定浓度并遇到火源时，会发生初始爆炸。

这一阶段主要受瓦斯浓度、氧气含量及火源强度等因素的影响。

2. 爆炸传播阶段：初始爆炸发生后，爆炸能量会在管网中传播。

由于角联结构管网的复杂性，爆炸能量的传播受到管道材质、直径、交汇角度等多种因素的影响。

3. 传播特性分析：通过实验和数值模拟的方法，研究角联结构管网中瓦斯爆炸的传播速度、传播方向及能量分布等特性。

结果表明，在特定条件下，爆炸能量可在管网中迅速传播，并可能引发连锁反应。

四、动力传播特性分析1. 传播速度：角联结构管网中瓦斯爆炸的传播速度受多种因素影响，包括管道材质、直径、壁厚等。

通过对不同条件下的实验数据进行对比分析，可以得出传播速度的变化规律。

2. 传播方向：由于管网结构的复杂性，瓦斯爆炸的传播方向具有多变性。

通过数值模拟和现场观测，可以揭示不同条件下的传播方向及影响因素。

《角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性研究》篇一一、引言随着煤炭工业的不断发展，煤矿瓦斯爆炸事故频发，给人们的生命财产安全带来了巨大的威胁。

角联结构管网作为煤矿瓦斯爆炸事故的重要发生地，其瓦斯爆炸动力传播特性的研究显得尤为重要。

本文旨在通过对角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性的研究，为煤矿安全生产提供理论支持和技术指导。

二、角联结构管网概述角联结构管网是指管道之间通过一定角度的连接形成的管网结构。

在煤矿瓦斯系统中，角联结构管网广泛存在于采煤工作面、矿井巷道等地方。

由于管道之间的连接方式复杂，使得角联结构管网中的瓦斯爆炸传播具有独特的特点。

三、瓦斯爆炸动力传播特性研究1. 爆炸传播速度瓦斯爆炸在角联结构管网中的传播速度是研究的重要参数之一。

由于管道的几何形状、材料性质、连接方式等因素的影响，瓦斯爆炸的传播速度会发生变化。

通过实验和数值模拟的方法，可以研究不同因素对瓦斯爆炸传播速度的影响，为制定防范措施提供依据。

2. 爆炸压力分布角联结构管网中瓦斯爆炸的压力分布是研究的重要内容。

由于管道之间的相互连接和反射作用，瓦斯爆炸的压力会在管网中传播并发生变化。

通过分析爆炸压力的分布规律，可以了解瓦斯爆炸的传播路径和破坏范围，为制定防爆措施提供依据。

3. 爆炸能量传递瓦斯爆炸是一种能量释放过程，其能量传递特性对管网中的设备和人员安全具有重要影响。

通过研究瓦斯爆炸能量的传递过程和规律，可以了解瓦斯爆炸对管网中设备和人员的破坏程度，为制定防护措施提供依据。

四、研究方法本研究采用实验和数值模拟相结合的方法，对角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性进行研究。

首先，通过实验测定不同因素对瓦斯爆炸传播速度、压力分布和能量传递的影响；其次，利用数值模拟方法对实验结果进行验证和补充，深入分析瓦斯爆炸的传播规律和特点；最后，结合实际工程应用，提出针对性的防范措施和建议。

五、结论通过对角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性的研究，可以得到以下结论：1. 角联结构管网中瓦斯爆炸的传播速度、压力分布和能量传递受到多种因素的影响，包括管道几何形状、材料性质、连接方式等。

《瓦斯输送管道抑爆技术研究》篇一一、引言随着煤层气的开发和利用日益增多，瓦斯输送管道安全问题成为了研究的热点之一。

瓦斯爆炸具有极强的破坏性和致命的危险性，如何有效地预防和抑制瓦斯爆炸，确保瓦斯输送管道安全运行，成为了一项迫切的任务。

本文将对瓦斯输送管道抑爆技术进行深入研究，为瓦斯管道安全提供有力的技术支持。

二、瓦斯输送管道及其危险性分析瓦斯输送管道通常采用高压、大流量的输送方式，为煤炭企业提供充足的煤层气资源。

然而，由于瓦斯具有易燃易爆的特性，一旦发生泄漏或爆炸，将给人们的生命财产安全带来极大的威胁。

瓦斯爆炸的危害主要表现在以下几个方面：1. 爆炸产生的冲击波会破坏管道和周边设施；2. 爆炸后产生的有毒有害气体对人体造成危害；3. 事故现场往往引发连续爆炸或火源等二次事故；4. 对社会环境产生恶劣影响。

三、瓦斯输送管道抑爆技术的现状与挑战目前，针对瓦斯输送管道的抑爆技术主要有以下几个方面：材料抑爆技术、检测与预警技术、快速截断技术等。

这些技术在一定程度上降低了瓦斯爆炸的风险，但仍面临诸多挑战：1. 管道材料对抑制爆炸效果的影响尚未完全明确；2. 检测与预警技术的准确性和可靠性有待提高；3. 快速截断技术在紧急情况下的有效性需进一步验证；4. 抑爆技术的综合应用和优化仍需深入研究。

四、瓦斯输送管道抑爆技术研究进展针对上述挑战，国内外学者进行了大量研究，取得了一系列成果：1. 材料抑爆技术方面，研究新型抗爆材料和管道结构，提高管道的抗爆性能；2. 检测与预警技术方面，利用先进传感器和数据分析技术，提高检测准确性和预警可靠性；3. 快速截断技术方面，研究新型截断装置和快速响应技术，确保在紧急情况下迅速切断气源；4. 综合应用和优化方面，将各种抑爆技术进行集成和优化，形成一套完整的抑爆系统。

五、瓦斯输送管道抑爆技术的未来发展趋势未来，瓦斯输送管道抑爆技术将朝着智能化、网络化、集成化的方向发展：1. 智能化：利用人工智能、机器学习等技术，实现抑爆系统的智能检测、预警和决策；2. 网络化：建立瓦斯输送管道抑爆技术的监测网络，实现信息共享和远程监控；3. 集成化：将各种抑爆技术进行集成和优化，形成一套高效、可靠的抑爆系统。

《角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性研究》篇一摘要随着矿业及化工领域的发展，瓦斯爆炸成为了一项重要而紧急的议题。

本文旨在探究角联结构管网中瓦斯爆炸的动力传播特性，以期为防止瓦斯爆炸及减小其影响提供理论基础。

本文首先概述了角联结构管网与瓦斯爆炸的背景和重要性，随后通过实验与模拟分析，详细研究了瓦斯爆炸的传播机制及其在角联结构管网中的影响，最后总结了研究成果与未来展望。

一、引言角联结构管网是矿业及化工领域常见的管道布局形式，其特殊的结构使得瓦斯爆炸的传播具有独特性。

瓦斯爆炸不仅对人员安全构成严重威胁，还可能造成重大经济损失和环境污染。

因此，对角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性的研究具有重要意义。

二、角联结构管网与瓦斯爆炸背景本部分介绍了角联结构管网的基本概念、类型和特点，并简要回顾了瓦斯爆炸的基本原理、危害及其在国内外的研究现状。

特别地，强调了角联结构对瓦斯爆炸传播的重要影响。

三、实验与模拟分析（一）实验方法本部分详细描述了实验的设计与实施过程，包括实验材料的选择、实验装置的搭建、实验参数的设置等。

同时，对实验过程中可能出现的误差和影响因素进行了分析和控制。

（二）模拟分析除了实验研究外，本文还利用数值模拟软件对角联结构管网中瓦斯爆炸的传播特性进行了深入研究。

模拟分析考虑了不同因素对瓦斯爆炸的影响，如管网结构、气体性质等。

通过模拟分析，我们可以更全面地了解瓦斯爆炸的动力传播特性。

四、瓦斯爆炸的传播机制与影响（一）传播机制在角联结构管网中，瓦斯爆炸的传播机制复杂多变。

本文通过实验和模拟分析发现，瓦斯爆炸的传播受到多种因素的影响，如管网结构、气体性质、环境条件等。

这些因素共同决定了瓦斯爆炸的传播速度、传播路径和破坏范围。

（二）影响分析瓦斯爆炸的传播不仅会对人员安全构成威胁，还可能对设备和环境造成严重破坏。

本文分析了角联结构管网中瓦斯爆炸的危害程度及其影响因素，为制定有效的防范措施提供了依据。

五、研究成果与展望（一）研究成果总结通过对角联结构管网中瓦斯爆炸动力传播特性的研究，本文发现了一些重要的规律和特点。

大型管道瓦斯爆炸特征及其末端对动物损伤实验研究ZHANG Yuyuan;ZHANG Yansong;LIU Bo【摘要】为了探讨瓦斯在大型管道中的爆炸特性及管道末端小白鼠瓦斯爆炸伤的伤情特点,在直径2 000 mm的管道中,进行3种典型浓度下不同体积分数的瓦斯爆炸试验,并在管道末端放置数只健康小白鼠,观察其伤亡情况.分析不同体积和浓度下瓦斯压力、温度、火焰传播规律这3个爆炸特性及深入观察小白鼠爆炸伤后各组织、器官的损伤特性.实验结果表明,爆炸冲击波和温度是导致爆炸伤亡的主要原因,瓦斯浓度为9.5%,体积为1.6 m3时,爆炸压力、爆炸温度和火焰传播速度达到均达到峰值,此时的小白鼠的死亡数量最大,损伤程度最高,主要表现为烧伤、肺部出血和脑组织出血.%To investigate the explosion characteristics of gas in large pipes and the characteristics of gas explosion injury of the mice at the end of the pipe, the gas explosion tests were carried out with three typical concentrations in the pipe with 2 000 mm diameter, and several healthy mice were placed at the end of the pipe to observe the injury and death. Three characteristics of gas pressure, temperature and flame propagation under different volumes and concentrations were analyzed, and the damage characteristics of tissues and organs of rats after explosion injury were observed. The experimental results show that explosion shock wave and temperature are the main causes of explosion casualties. When the gas concentration is 9.5%, the volume is 1.6 m3, the explosion pressure, the explosion temperature and the flame propagation speed reach the peak value. At this time, the number of dead mice was the largest, and thedegree of damage was the highest. The main injuries were burns, pulmonary hemorrhage, and brain tissue hemorrhage.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)006【总页数】5页(P11-15)【关键词】大型管道;瓦斯爆炸;爆炸特性;动物损伤;爆炸冲击波【作者】ZHANG Yuyuan;ZHANG Yansong;LIU Bo【作者单位】College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;State Key Laboratory Breeding Base of Mining Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China【正文语种】中文【中图分类】TD713中国几乎所有煤矿都是瓦斯矿井，高瓦斯矿井在大中型煤矿中占20.34%，在小型煤矿中占15%左右，在这些矿井中，瓦斯爆炸危险普遍存在，不仅如此，低瓦斯矿井因管理不严格、制度不健全也成为事故多发矿井[1-5]。

( 安全管理 )单位：_________________________姓名：_________________________日期：_________________________精品文档 / Word文档 / 文字可改瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应(最新版)Safety management is an important part of production management. Safety and production are inthe implementation process瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应(最新版)1引言我国煤矿瓦斯大，瓦斯涌出强度高，危险性较大。

大中型煤矿中，高瓦斯矿井占20.34%；小型煤矿中，高瓦斯矿井占15%左右。

随着开采深度的增加，机械化程度的提高，开采强度的增大，瓦斯涌出量就会进一步增大；那么，瓦斯灾害的治理越来越成为煤矿灾害防治的重点。

因此，在煤矿安全事故中，瓦斯爆炸事故一直是煤矿最严重的灾害之一。

2004年10月20日22:10，郑煤集团大平煤矿突然发生岩巷特大瓦斯事故，148人遇难；2004年11月28日上午07:10左右，陕西省铜川矿务局陈家山煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，166人遇难；2005年2月1415:03，辽宁省阜新市孙家湾煤矿发生一起特大瓦斯事故，死亡人数214人。

从以上几起近期发生的影响较大的瓦斯爆炸事故来看，造成大量的人员伤亡和重大财产损失的原因在于管理漏洞，对发生瓦斯爆炸后通风系统破坏程度不能及时了解，决策不够及时；反过来，当决策人员对破坏程度的不同有了了解就有助于救灾决策，确定要保护的关键的通风构筑物，调节通风系统，使爆炸后产生的有害烟流及时排出，保持通风系统的稳定、保护井下人员的安全，从而将重大事故灾害造成的破坏减少到最低程度。

无论对于决策人员还是对于研究人员而言，发生瓦斯爆炸过程中以及瓦斯爆炸后表征爆炸的压力场、温度场和浓度变化规律和衰减规律的参数的获得都较难。

爆轰波在变截面突扩管道中的传播特性研究印华融;翁春生【摘要】为了研究截面突扩结构对脉冲爆轰发动机推进性能的影响,需明确粘性对气液两相爆轰波在突扩管道内传播的影响.采用二维粘性CE/SE方法对爆轰波从小管径进入突然扩张的大管径爆轰管的汽油/空气两相爆轰过程进行数值仿真,研究了爆轰波进入二维突扩管后的传播及压强等一系列参数的变化规律及原因.结果表明:爆轰波进入突扩管道后会在拐点位置产生涡流并伴随熄爆的现象,马赫反射的形成将导致高温高压区的形成,使得球形波阵面被抹平,最终再次形成稳定的爆轰波;对于不同管径的突扩段,管径越大,形成马赫杆时的位置越靠后且压力越大;点火强度的改变对稳定爆轰波形成位置及大小的影响较小.【期刊名称】《航空兵器》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】7页(P66-72)【关键词】脉冲爆轰发动机;爆轰波;突扩管道;二维粘性;CE/SE方法;马赫反射【作者】印华融;翁春生【作者单位】南京理工大学瞬态物理国家重点实验室,南京 210094;南京理工大学瞬态物理国家重点实验室,南京 210094【正文语种】中文【中图分类】V231.3脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine, PDE)是一种利用脉冲式爆轰波产生高温高压燃气，通过高速喷射产生推力的新概念发动机，具有循环热效率高、比冲高、工作和推力范围广、单位燃料消耗率低等优点[1-2]。

随着多年来对PDE数值仿真与实验研究，已经发现一系列可以增加其推力的方式，例如在其尾部安装喷管或引射器等。

针对不同形状喷管(直喷管、收敛喷管、扩张喷管、拉伐尔喷管)对PDE性能及流场的影响[3-5]，通过改变引射器的形式、轴向位置、入口形状和喉部面积比等因素对PDE推进性能影响进行研究。

在爆轰管长度有限的情况下，若能通过改变管道截面积等方式来提高PDE的推进效率，不失为一个好方法。

对爆轰波从小管径进入大管径的研究主要包括：壁面对爆轰波传播特性的影响；爆轰波从小管径过渡到大管径的锥形管道的渐扩过渡过程的研究；爆轰波在绕射扩张截面时发生局部熄爆和二次起爆现象的分析；氢氧爆轰波、甲烷-空气混合物爆轰波在突扩管道内传播过程的探讨。

侧壁套管泄爆作用下瓦斯爆炸特性研究
何国钦;张好
【期刊名称】《矿山工程》
【年(卷),期】2024(12)2
【摘要】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。

【总页数】7页(P263-269)
【作者】何国钦;张好
【作者单位】重庆科技大学安全工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD7
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