爆轰波进入不可燃突扩管道行为研究
瓦斯爆炸过程中的流体力学行为
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。
管道内瓦斯爆炸传播的试验研究
。
从图 4 可以看出, 最大压力峰值在出口附近, 主 要原因是, 在封闭全管道的瓦斯气体时 , 在管道出口 封有两层塑料薄膜 , 爆炸冲击波传至此处时, 传播路 线受到薄膜的限制 , 使得冲击波在此处反射和叠加, 致使爆炸压力峰值急剧上升。而在煤矿井下巷道或 者瓦斯管道输送过程中无此薄膜封闭 , 所以在此试验
Experi m ental Study o f G as Exp losion D isse m ination in P ipeline
, Re search Fe llow SI Rong jun , Sen ior E ngin eer LI Run zh i Q IU R ui lai ZHANG Yan song ( Chongq ing B ranch of China Coal R esearch Institu te , Chongq ing 400037 , China)
3 试验数据的分析处理
矿井瓦斯爆炸事故现场勘察结果表明, 瓦斯爆 炸对人员伤害和矿井设备损坏的原因主要有 3 个 : 火焰锋面的高温灼烧、 冲击波的超压破坏和井巷空 气中有毒有害气体。针对这 3 个原因, 结合试验基 地的试验设施和测试仪器条件 , 主要研究瓦斯爆炸 火焰、 冲击波超压沿管道的传播规律。在该试验条 件下, 共测试了 10 个测点的爆炸冲击波沿管道最大 压力及呈现时间和 10 个测点的火焰沿管道的到达 时间。下面就试验结果进行分析研究。 3 . 1 爆炸压力沿管道的传播规律分析 图 4 和图 5 分别为 10 个和前 8 个测点沿管道 长径比压力峰值的曲线图。
条件下, 舍去最后两个点的压力峰值得出最大爆炸压 力沿管道长径比的变化规律 , 如图 5 所示, 由此可得 瓦斯爆炸在传播过程中沿管道压力峰值的规律 : 1) 在爆源附近压力峰值较以后各测点 ( 去除出 口附近两个测点 ) 都高, 其主要原 因是点火源点爆 瓦斯后, 开始在爆源附近形成球面波, 在向管壁和封 闭端传播过程中受到限制, 所以爆炸冲击波出现了 反射和叠加, 以及冲击波在向管道开口端传播过程 中的回传和叠加都使得此处压力峰值偏高。 2) 爆炸冲击波在随后的传播过程中, 爆炸压力 峰值先减小, 然后又逐渐增大, 主要原因是由于这个 试验是全管道瓦斯 - 空气混合气体, 紧随前驱冲击波 后的燃烧波在燃烧瓦斯 - 空气混气体过程中不断的 释放热量, 使得放出的热量大于由于壁面摩擦和热传 导的损失的热量, 及时为冲击波的传播补充能量。 3) 不同浓度的瓦斯 - 空气混合气体爆炸最大压 力是不一样的, 当瓦斯浓度为 9 . 7 % 时爆炸压力最大, 为0 . 349M Pa(除去出口附近两个测点 ), 这说明爆炸 最佳浓度不是当量浓度 9 . 0 % 左右, 而是略高于当量 浓度, 主要原因是随着燃烧的进行, 随着瓦斯含量的 减少出现了不完全燃烧反应, 而略高于当量浓度能使 瓦斯完全燃烧反应, 释放出最大能量。 4) 由图 5可以拟合在此试验条件下瓦斯爆炸压 力峰值沿管道长径比的函数关系如图 6 所示。函数 关系式为 y = - 0 . 000 002x - 0 . 016x + 0 . 457 , 其置 信度为 R = 0 . 984 。由此可知 : 在 该试验条件下瓦 斯爆炸压力沿管道传播过程中从爆源点开始下降, 传播一段距离后出现拐点, 然后再增大的过程, 这与 实际瓦斯爆炸过程基本相似
瓦斯爆炸冲击波在变径管道中的传播特性
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。
瓦斯爆炸在分岔管道中的传播
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。
爆轰波在变截面突扩管道中的传播特性研究
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。
孔内炸药径向起爆爆轰波传播方向的研究及应用的开题报告
孔内炸药径向起爆爆轰波传播方向的研究及应用的开题报告一、研究背景你知道吗？在我们的生活中，有时候会发生一些很神奇的事情。
比如我们可以通过一些特定的方式，让一个巨大的物体瞬间“消失”！这听起来是不是有点像科幻电影里的情节？其实这并不是什么魔法，而是我们科学家们研究的一种叫做“爆炸成形”的技术。
而这次的课题，就是要探讨这种技术中的一个关键问题——爆轰波的传播方向。
想象一下如果我们可以精确控制一个炸药的起爆方式，那么我们就有可能让爆轰波按照我们想要的方向传播。
这样我们就可以在需要的时候，让爆炸的能量朝着我们想要的方向释放，从而达到我们想要的效果。
这对于很多工程应用来说，都是非常有价值的。
而且这个研究不仅仅是一个理论上的问题，它还可以应用到实际生活中去。
比如在军事领域，我们可以通过控制爆炸的方向，来精确打击目标；在矿山开采中，我们也可以通过控制爆轰波的传播，来减少矿难的发生。
这些都是对我们生活有着实实在在帮助的技术。
所以这次的研究课题，不仅具有很高的学术价值，还有着广泛的应用前景。
我相信只要我们好好研究，就一定能够取得有意义的成果。
二、研究目的与意义1. 研究目的：本次开题报告的研究目的是深入探究孔内炸药径向起爆爆轰波的传播特性，为实际应用提供理论依据和技术支持。
具体而言我们将通过数值模拟和实验验证的方法，分析不同条件下爆轰波的传播路径、速度、能量分布等关键参数，从而揭示其传播规律。
2. 研究意义：通过本研究，我们期望能够阐明孔内炸药径向起爆爆轰波的传播机制，为爆炸成形技术的优化和应用提供科学支撑。
同时该研究还将为相关领域的研究提供新的思路和方法，推动爆炸成形技术的进一步发展。
此外研究成果还可应用于民用和军事领域，对于保障安全、提高工程效率等方面具有重要意义。
三、研究内容与方法1. 研究内容：本次研究将围绕孔内炸药径向起爆爆轰波的传播方向展开，具体内容包括。
并分析其在实际应用中的可行性和效果。
2. 研究方法：为了实现上述研究内容，我们将采用以下方法：(1) 数值模拟：利用现有的数值模拟软件，对孔内炸药爆轰波的传播过程进行模拟分析，以获取爆轰波传播特性的重要参数和规律；(2) 实验研究：通过搭建实验平台，模拟孔内炸药的起爆过程，并观测爆轰波的传播情况，从而验证理论研究成果的正确性和可行性；(3) 数据分析：对实验数据和数值模拟结果进行整理和分析，提取出爆轰波传播的关键参数，并得出结论。
爆燃波在含内构件管道中传播现象的实验研究
表 １ 实 验 气 体 工 况
Ｔａ ｅ １ ｂｌ Ｅｘ ｒｍ ｅ ｔ ｌｃ ｓ ｓ ｐｅ ｉ ｎ ａ ａ ｅ
采用 高压火 花放 电点 火 。（ ） 配气 系统 。由气 体预混 罐 、 ２充 配气柱 、 真空 泵 、 水银 真 空压力 计组成 。实验 气 体为 Ｈ。 和空气 的混 合物 ， 当量 比和初 压见 表 １ ３ 压 力测 量 和数 据采 集 系统 。由 Ｐ Ｂ压 电传感 其 。（ ） Ｃ 器、 电荷放 大器 和 Ｐ Ｉ ０ １ Ｃ － ６ ２数据 采集 卡组成 ， 录各测 点压力 信号 。 ２ 记
２ 实验 装 置 和 测 试 系统
图 ｌ 出了 实 验装 置示 意 图 。为 避 免燃 烧 （ 学 反应 ） 给 化 的尺 度 效 应 ， 验管 道保 持 了原 反应 堆 热 交换 器 的几 何 结构 和 尺寸 。管道 工段 实 为慢化 剂室 （ 外径 １ ７ｍｍ、 ２ ０ｍｍ、 厚 ２ｍｍ） 管 道 Ⅱ段 为热 虹 ２ 长 ４ 壁 ， 吸 回路（ 外径 ４ ５ｍｍ、 厚 ７ｍｍ） 管道 Ⅲ段 为真 空 筒 （ 壁 ， 左段 外 径 １ ６ ４
合物 ， 在慢化剂 室和真空筒顶部空间产生燃烧 ， 高温富油燃气的压力 上升速率较慢 。当燃气通过上述狭缝时 ， 在真空筒突扩空间 内再次点火并形成较强爆燃 ， 压力 时问曲线显示 了冲击波特征及其在端面的反射 。 关键词 ： 爆炸力学 ； 冲击波 ； 点火 ； ／ Ｈ。空气混合物 ； 爆燃
中 图 分 类 号 ： ８ Ｏ３ １ 国 标 学 科 代 码 ： ３ ３ １ １ ０・ ５ ０ 文 献 标 志码 ： Ａ
１ 引 言
弯管中气体爆轰波传播特性研究2005
中国科学技术大学硕士学位论文弯管中气体爆轰波传播特性研究姓名：王汉良申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：周凯元20050601摘要本文研究了气体爆轰波通过矩形截面管直角弯道时的传播特性和气体爆轰（爆燃）波通过图管中圆弧形弯管时的传播特性。
前者包括爆轰波通过矩形管直角弯道时的流动图像和通过直角弯道后的恢复稳定过程。
首先研究了氧气一氧气一氩气混合气体爆轰波通过矩形截面管直角弯道时的传播特性，利用烟迹技术记录了实验现象，运用爆轰波波阵面结构理论和爆轰波绕射理论对实验结果作了分析。
结果表明平面气体爆轰波在尖角绕射时由于横波失去碰撞以及稀疏波作用，稳定胞格结构在绕射区发生变化，并对主管中胞格畸变区大小进行了理论计算。
其次，对分支管中爆轰波恢复稳定过程的研究表明，由于三波结构在绕劓的曲面波阵面中消失，分支管中先形成了无胞格区，在复杂流动和前驱激波的反射作用下，又出现超驱动爆轰现象，丽超驱动爆轰将逐步在分支管中衰减成稳定爆轰。
分支管中的超驱动爆轰现象给研究燃烧转爆轰过程（ＤＤＴ）提出了新的方法。
最后，对丙烷空气一氧气混合气体爆轰（爆燃）波通过９００圆弧形弯管进行了研究，乇要通过测量火焰速度的变化，对弯管前后的火焰加速过程进行比较后发现弯管有加速气体爆轰（爆燃）波火焰运动的作用，并对二维圆弧形弯管内的波系作用作了理论分析。
这一研究结果对传统工业管道阻火器的使用提出了质疑。
关健词：气体爆轰波，弯管，胞格结构，绕射，反射，超驱动爆轰。
ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｔｕｄｙｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｗａｖｅｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂｅｎｄｓｗｈｉｃｈｉｎｖｏ］ｖｅａｒｉｇｈｔ—ａｎｇｌｅｄｂｅｎｄｉｎａｒｅｃｔａｎｇｕｉａｒｔｕｂｅａｎｄａｒｌａｒＣｂｅｎｄｉｎａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｔｕｂｅ，ＦｉｒｓｔｌＹ，ｃｅｌｌｓｏｆ’ｇａｓｅｏｕｓｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｗａｖｅｓｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎ—ｏｘｙｇｅｎａｒｇｏｎｇａｓｅｏｕｓｍｉｘｔｕｒｏｓａｒｅｒｅｃｏｒｄｅｄｂｙｕｓｉｎｇｓｍｏｋｅｓｏｏｔｍｅｔｈｏｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓ，ｕｓｉｎｇｔｈｅＩｈｅｏｒｉｅｓｏｆｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｗａｖｅｆｒｏｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｗａｖｅ．ｒ－ｅｖｅａｌｓｔｈａｔｔｈｅｄｉｓａｐｐｅａｒｉｎｇｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｗａｖｅｓ’Ｃ０１１ｉｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｘｐａｎｄｗａｖｅｓｒｅｓｕｉｔｉｎｔｈｅｃｅｉｌｓ’ｄｅｆｏｒｍｉｔｙｗｈｅｎｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｗａｖｅｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｈｒｏｕｇｈａｓｈａｒｐ—ａｎｇｌｅｄ９００ｄｅｇｒｅｅ。
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虽然在激波刚刚到达该处时仍有一个压力上升，但 该压力峰值相比 A 处的压力峰值下降了很多.激波 在最初到达 C 点时的压力波形与 B 点基本相同.但
的同时，以初压为 0.10 MPa 的氢氧混合气体为研
究对象，进行了相应的数值模拟分析.数值模拟采
用守恒形式的轴对称流动控制方程:
第2期
杨
磊，等:爆轰波进入不可燃突扩管道行为研究
绕射后的激波强度及波后压力会有明显减弱.
值 2.843 k m/ s 基本吻合.当爆轰波到达爆轰管的
右端并进入空腔接头后，由于空腔接头中的气体是
不可燃的空气，因此化学反应停止，爆轰波变成不
但随着绕射激波向右传播，该球面波阵面开始与上 壁面相交，绕射激波与上壁面最初相交时相互平
包含化学反应的激波，物理现象也变为激波在等截
面圆形管道中的传播.该处流场的压力、 O 2 、 H 2
和中间产物 OH 的摩尔浓度的云图分别如图 4 (a) 至图 4 (d). 由图 4 (b) 和图 4 (d) 可知，原本
行，其与上壁面发生规则反射，发生规则反射的激
5 波在反射前后的激波强度不会改变，如图 (c).
随着绕射激波继续向右传播，绕射激波与上壁
面的夹角逐渐增大 当夹角到达规则反射与马赫反 射的转换点后 绕射激波就会与上壁面发生马赫反 射，从图 5 (d) 清楚可见，由于马赫反射而产生
的垂直于上壁面的马赫杆.
仅含 O 2 和 N 2 的连接段，因激波诱导气流的存在，
引入 H 2 和 OH. 从图 4 (c) 可见，由于激波的存
在，连接段中的空气在波后的压力和密度都会上
学反应模型 [6J 为
Ns NR
由于数值计算中初始的点
火区网格以及部分变截面处的网格细密程度对计算
LVijA i ∞ ZzyFU哉 ，
j = 1 , 2 ,… , N R •
(2)
结果有一定的影响，我们对这些位置处的计算网格 进行预先加密.初始时刻爆轰管内充满按化学当量
利用该模型可对包含爆轰波和激波传播的全流
连接段隔开.按固定配压比将可燃气体、氧化剂分 别充入爆轰管内，让其在爆轰管内充分混合再点火
起爆.实验所用的可燃气体为氢气，氧化剂为氧
收稿日期: 2006-12-04; 修回日期: 2008-02-19 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 10472047) ;深圳大学科研启动基金资助项目 (2006016) 作者简介:杨 磊 (1978-) ，男(汉族) ，安徽省合肥市人，深圳大学讲师、博士. E-mail: yanglei@ szu. edu. en 通讯作者:黄中伟 (1957 -) ，男(汉族) ，深圳大学教授、博士.中国科学技术大学客座教授. E-mail: huangzw@
131
一+一+一
aU at
aF ax
1
r
a(rG) ar
- ~P
1
r
= S.
(1)
进行求解，从而达到空间、时间二阶的求解精度.
下壁面为对称轴，采用对称边界条件;其余边界为 固壁，均采用滑移边界条件，即垂直于壁面的速度 分量为零.温度和密度的壁面条件分别为
。 T/an = 0 ,
。ρ i/an =
分析认为，左端爆轰管内的可燃预混气体在点
业安全设计提供技术支持.
径 150 mm ，长 400 mm.
脉冲爆轰点火装置位于爆
轰管左端壁中心处，压力传感器 A~ B 和 C 沿空腔
长度方向平均布置，距离空腔右端面分别为 300
mm 、 200 mm 和 100 mm.
实验前，在法兰 D 处用薄涤纶膜片将爆轰管与
1
实验原理及设备
实验设备如图 1. 爆轰管中充满均匀混合氢氧
Table 1 Peak pressure at measurement points
A 、 Band
C and mean velocity of shock wave
激波平均速度 f(rn.
于激波达到最右端的固壁后，将会发生激波在固壁 上的反射，右行激波经反射后激波强度增强，同时
S-I)
变为左行激波，并再次通过 C 点.
波的压力基本相同，无明显变化.分析认为这是由
于右端固壁反射所形成的左行反射激波在到达 B 点 之前，遇到了扩张段入口处传来的右行稀疏波.该 稀疏波降低了反射激波的强度，导致 B 点的二次压
力峰值低于 C 点的二次压力峰值.其后空腔内的流 场在众多波系的共同作用下已变得非常复杂，各测
激波进入空腔后首先掠过传感器 A.
第 25 卷第 2 期
2008 年 4 月
深圳大学学报理工版
qBl lLnrN IWA
、F J
N
qB O)
OO
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
qB 川
文章编号:
1000-2618(2008)02-0129-05
【土木建筑工程】
初始
压力
压力 fMPa
fMPa
PA 0.64 0.78 0.89
PB 0.18 0.25 0.31
PC 0.38 0.62 0.67
AB 段
Be 段
观察 B 点压力曲线，在相应位置也存在一个二
0.08 0.10 0.1 633 679
次压力峰值，但与 C 点不同，该峰值压力与入射激
点火压咕
\W
/汗_
气 予严
ABC
了数值模拟.孙宇峰等[ 4-5J 对轴对称变截面管道中
氢氧爆轰波传播进行数值模拟，比较了不同敏感度 可燃混合气体的爆轰波在截面突变和渐变扩张管道 中的传播过程.本文利用爆轰激波管对氢-氧可燃 混合气体的爆轰波进入充满不可燃空气的变截面管
道后的演变及传播特性进行研究，通过实验获得爆
DDT 过程而转换为爆轰波.当爆轰波传到 D 点时，
冲破涤纶膜片进入连接段，维持爆轰波发展的化学
反应终止，爆轰波将退化为激波继续向前运动.压 力传感器可测出 3 个测点的压力曲线.
分别为各初压状态下A~ B 和 C 三点压力随时间的
变化曲线.
由激波到达测点A~ B 和 C 的时间关系，可计
算出激波由 A 点传播到 B 点，及激波由 B 点传播到
2 .4 2.0
E Q E
MPa. 点火条件为高温高压点火.
2 .4 2.0
E G \ λ .
J ζ
8
~ 1.0
fi1.0
。
2 x/em
3
4
106
107 xkm
108
109
125
130
135
~em
140 142
(a)点火区网格
(b)接头段网格
(e) 空腔网格
图3
计算域网格划分
Fig. 3
Mesh of numerical simulation
Fig. 2
表1
Pressure history at measurement points at different initial pressure
C 点波形随后会出现一个很明显的二次压力峰值， 该峰值明显高于入射激波的压力，如图 2. 这是由
A 、 B 和 C 等 3 处测压点的压力峰值及
激波的实验平均速度
场进行统一求解，利用组分来控制求解器，可避免
对局部流场进行单独求解.
恰当比混合的氢氧可燃混合气体，可燃混合气体处
0.10 MPa ，温度为 300 于静止状态，其初始压力为
K. O. 连接段及空腔内为空气，初始压力为 10
氢氧反应中各组分气体的热力学参数均根据
Chemkin 假设 [6J 计算，并用 Muscle-Hancock 格式 [7J
征是爆炸力学研究的重点之一. 行了研究.
S.Ohyagi 等 [1J 利用
高速纹影摄影对爆轰波在突扩通道中传播的流场进
D. A. Jones 等 [2J 结合基元化学反应模型
对氢-氧爆轰通过突扩管道的现象进行了数值模
拟.杜杨等 [3J 采用基于三角形网格的非结构有限体
积方法对爆轰波通过突扩管道的流场结构演化进行
szu. edu. en
130
深圳大学学报理工版
第 25 卷
气.连接段及空腔内部为空气.当脉冲点火装置点
0.08 MPa、 0.10 MPa 和 0.12 MPa ，氢气与氧气的
化学当量比均为2: 1. 连接段及空腔为环境空气. 实验所得各测点的压力曲线如图 ，曲线 A~ B 和 C 2
燃爆轰管内的可燃混合气体后，爆燃将很快通过
(4)
计算模型的几何尺寸与实验设备相同.采用自
适应非结构四边形网格的有限体积方法，通过在爆
轰波、激波和接触间断等流场特征区域附近进行网 格加密，从而获得精细的流场结构，保证在合理的
计算资源耗费下获得高分辨率流场图像.部分区域 的初始计算网格如图3.
型描述氢氧混合气体的化学反应，用以准确模拟爆
燃与爆轰后爆轰管内的流场情况和组分.设 Ns 个 组分，几个基元化学反应方式下的有限速率基元化
爆轰波进入不可燃突扩管道行为研究
杨磊 1 ，杨向龙1 ，李焕成2 ，黄中伟1
( 1. 深圳大学土木工程系，深圳 518060; 2. 深圳市建筑设计研究院，深圳 518010)
摘 要:对爆轰波进入不可燃突扩管道后的传播规律及压力分布进行实验研究、数值模拟和理论分析.
实验结果显示，爆轰波进入突扩管道一定距离后管道内压力会突升，随后压力曲线趋于平缓，在靠近封闭 端面附近的压力又再次升高.采用自适应有限体积程序结合基元化学反应模型对流场进行了数值模拟.结
由图 2 可
知，激波掠过 A 点时，该处压力瞬间达到整个测量 时间内的最大值，波形出现一个明显的峰值.随后