Propagation characteristics of flame wave and shock wave during the gas explosion in complex pipeline network
-
摘要: 为了进一步探究瓦斯爆炸冲击波火焰波的传播特性，在自行设计并搭建的复杂管网中进行瓦斯爆炸实验。实验中利用高精度压力传感器和温度传感器收集压力变化和温度峰值数据；使用火焰传感器采集爆炸过程中出现的火焰波信号，根据理论公式计算得出火焰波传播速度；利用Origin软件对实验数据进行综合处理，研究复杂管网中瓦斯爆炸时的冲击波、火焰波传播特性。结果表明：管道内各测点最大压力峰值为0.599 MPa，最小压力峰值为0.297 MPa，管道内火焰波速度峰值为214.04 m/s，在管道L4上速度值降低为0 m/s，各测点温度峰值最大值为1 837 K，最小值为1 521 K。随着爆炸冲击波与火焰波在复杂管网内的传播距离不断增大，压力衰减趋势和速度突变趋势更为显著。Abstract: For the purpose of further exploring the flame wave propagation characteristics of the gas explosion shock wave, the gas explosion experiment was carried out in a complex pipe network designed and built by ourselves. In the experiment, a high precision pressure sensor and a temperature sensor were used to collect pressure changes and temperature peak data. By using the flame sensor to collect the flame wave signal in the process of explosion, the flame wave propagation velocity was calculated according to the theoretical formula, and the Origin software was used to comprehensively process the experimental data to study the shock wave and flame wave propagation characteristics of gas explosion in the complex pipe network. The results show that in the pipeline the peak value of maximum pressure and minimum pressure at each measuring point is 0.599 MPa and 0.297 MPa, the peak value of flame wave velocity is 214.04 m/s, and the value of velocity on the pipeline L4 decreases to 0 m/s. The peak value of temperature at each measuring point is 1,837 K and the minimum is 1 521 K. As the propagation distance of the blast wave and flame wave increases in the complex pipe network, the trend of pressure attenuation and velocity mutation becomes more significant.
-
Keywords:
- gas explosion /
- shock wave /
- flame wave /
- propagation characteristic /
- complex pipe network
-
煤矿事故根据性质不同，可分为瓦斯、机电、放炮、顶板、水害、运输、火灾等7种煤矿事故。其中瓦斯爆炸事故发生的频率最高，造成的损失最为严重[1]。因此，瓦斯类事故是我国煤矿事故中的“第一杀手”，目前我国的国有重点煤矿有90%的煤矿具有瓦斯爆炸的危险[2-3]。瓦斯爆炸一般会产生3种主要的危害因素：爆炸产生的压力波，火焰波锋面的高温伤害以及产生的各种有毒有害气体。因此，有必要对爆炸产生的冲击波火焰波传播特性进行深入的研究，以此来为井下实际环境中采取具体的防爆抑爆措施提供理论依据，从而避免或减少瓦斯爆炸带来的危害。
瓦斯是可燃爆炸性气体，在一定空间内爆炸过程十分复杂。源于实际工程的需要，国内外学者对瓦斯爆炸冲击波火焰波传播特性展开了深入研究。K. V. Wingerden等[4]于1962年首次在简单管道内进行了瓦斯爆炸实验，实验结果表明，在实验管道一侧开口一侧封闭的情况下，火焰波的速度峰值可以达到250 m/s，而在两侧都封闭的条件下，在爆炸的初始阶段，火焰波的传播速度呈指数是高速增长。D. H. Edwards等对截面面积突然增加的复杂管道中瓦斯爆炸冲击波特性进行了研究；结果表明：管道截面面积突变产生的冲击波会发生绕射现象，整个爆炸过程中的膨胀波会在超临界条件下出现二次燃烧现象[5-6]。陈慧慧[7]在复杂的“A”型管网中进行了瓦斯爆炸实验，探究了管道中冲击波火焰波的传播规律，结论认为：瓦斯充填长度与同一个测点的瓦斯爆炸超压、火焰信号强度以及火焰传播速度呈递增关系。董铭鑫等[8]利用FLUENT对复杂通风管网中瓦斯爆炸火焰波传播特性进行了数值模拟研究，结论认为：瓦斯爆炸过程中冲击波、通风动力、火焰波以及管网结构变化产生的扰动源等多因素的耦合作用使得火焰波传播变得更加复杂多变。马恒等[9]运用FLUENT对复杂的“H”型通风管网中瓦斯爆炸冲击波特性进行了研究，研究结果表明：爆炸冲击波经巷道壁面反射后与正向冲击波叠加，增大了叠加区域的压力值；爆炸冲击波改变了联络巷内风流流动状态。
综上所述，国内外对于复杂管网中的瓦斯爆炸实验研究相对较少，多停留在数值模拟研究阶段，而且大部分现有实验都是对单一的火焰波或者冲击波进行研究，对复杂管网中冲击波和火焰波传播特性共同进行研究的实验研究也较为少见。基于此，通过自行设计并搭建的复杂管网对瓦斯爆炸特性开展研究，以期为井下实际环境中采取具体的防爆抑爆措施提供理论依据，从而避免或减小爆炸带来的危害。
1 实验方案及装置
1.1 实验方案
在自主搭建的复杂管网实验系统中进行实验，实验系统主要包括：爆炸管道系统、动态数据收集系统以及点火系统。实验工况为：9.5%甲烷−空气混合实验气体。考虑实验时环境温度湿度以及管道之间气密性的变化会对实验结果造成影响，因此，每组实验重复进行3次。
1.2 实验系统
爆炸管道系统管道由内径为200 mm，管壁厚为12 mm，最大耐压值为20 MPa的管道组成。数据收集系统由压力传感器、火焰传感器和温度传感器组成。其中压力传感器为CYG1721高频动态实验室压力收集系统，测量范围：−100 kPa~60 MPa，100 kPa~150 MPa。火焰传感器为CKG100的光敏感性火焰传感器，其中响应光谱：可见光340~980 nm，响应时间为10 ms。实验时在每个直管上设置间距为L的2个火焰传感器，记录火焰波经过2个传感器的不同时间t1和t2，则管道中的火焰传播速度v计算公式如下：
$$ v = \frac{L}{{{t_2} - {t_1}}} $$ (1) 对于温度传感器，实验中采用细热电偶对瓦斯爆炸产生的火焰波温度进行测试，测试温度范围为0~2 000℃，数据采集时间步长为50 ms，实验中测量允许误差值为0.33℃。实验中全部动态数据调节和收集采用TST6300数据采集仪，工作电压为2~8 V，工作电流为5~20 mA，供电为AC，220 V/50 Hz。点火系统采用高频脉冲电打火的方式，高频脉冲击穿空气时会释放能量并产生火花、点燃气体。点火电极选择采用直径0.3 mm的铂丝电极，电极间距3 mm，点火持续时长0.3 s。实验装置如图1所示。
图2为自主搭建的实验系统实物图，本次自主搭建的实验系统实物由10根长短不一的圆形管道，三通以及一个爆炸腔体组成，各管道之间由螺丝连接起来，在管道出口处安装有法兰盘，实验时可以作为泄爆口。
1.3 实验步骤
本次实验主要步骤如下：
① 按照实验设计图纸对实验管道进行拼接，同时将各实验元器件连接在管道上。
② 检验装置气密性，由于该实验系统连接处较多，如果气密性不佳可能会造成收到的数据误差较大，同时由于爆炸具有一定危险性，若气密性不佳会存在安全隐患。
③ 打开阀门开关，通入一定量浓度的甲烷气体；甲烷气体体积分数按如下公式计算：
$$ \frac{{{p_{\rm{a}}}}}{{{p_0}}} = \frac{{{V_{\rm{a}}}}}{{{V_0}}} = C $$ (2) 式中：pa为充入甲烷气体压力，MPa；p0为管道初始压力，根据实验环境本文取1 atm；Va为甲烷体积，m3；V0为管道体积，m3；C为甲烷体积分数，%。
④ 打开点火装置进行爆炸实验，同时在电脑终端收集数据。
⑤ 打开管道末端法兰盘，排出废气清理管道，为下一次实验做准备。
2 实验结果分析
为了能够更加清楚地描述瓦斯爆炸冲击波、火焰波在管网中的传播规律，对各测点、分岔口以及管道进行编号，布置具体情况如图3所示。
![]()
图 3 实验系统各管道及测点Figure 3. Schematic diagram of each pipe and measuring point in the experimental system以气体爆炸腔的最左端为轴心，建立以水平方向为x轴，竖直方向为y轴的坐标轴，设各测点位置依次为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9，则各测点与爆炸腔的等效距离参数见表1。
表 1 各测点等效坐标值Table 1. Equivalent coordinate values of each measuring pointm 测点 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 测点坐标 2.2,0 2.8,0 6.8,0 7.4,0.6 2.3,0.6 2.3,2.8 2.8,3.3 6.8,3.3 7.4,2.8 2.1 各管道压力特性分析
2.1.1 压力变化情况与规律分析
表2列出了3次瓦斯爆炸实验各监测点压力峰值的原始数据，为确保实验数据准确，减少随机性，对每3次实验结果取平均值。分析压力在管网中传播规律。
表 2 各监测点压力峰值原始实验数据Table 2. Original experimental data of peak pressure at each monitoring point管道 测点 距离爆炸源距离/m 压力峰值/MPa 均值/MPa L1 T1 2.2 0.596 0.602 0.589 0.599 T2 2.8 0.562 0.531 0.569 0.564 T3 6.8 0.478 0.472 0.473 0.476 L2 T5 2.9 0.573 0.579 0.568 0.572 T6 5.1 0.512 0.509 0.512 0.515 L3 T4 8.0 0.372 0.376 0.375 0.373 T9 10.2 0.294 0.299 0.298 0.297 L4 T7 6.1 0.419 0.425 0.428 0.423 T8 10.1 0.345 0.341 0.343 0.342 图4是对各管道上的传感器测量数据进行收集，选取部分变化较明显数据整理而成的折线图。
根据图4a数据分析管道L1中3个测点压力变化情况：在爆炸反应初期的一段时间内，3个测点处均出现多个极点压力峰值的情况，由于复杂爆炸管网的影响，压力冲击波在管网内反复地叠加并且不断衰减[10-11]。在爆炸后0~0.3 s内，各测点压力峰值均以指数形式急剧上升。
对于测点T1而言，在爆炸时间达到0.24 s时，达到压力爆炸峰值，为0.599 MPa，同时该压力峰值也是整个爆炸反应过程中压力最大值，在0.4~0.6 s内，压力值出现拐点并且有增大的现象，主要是由于管道L2相对于管道L1出现冲击波回流现象，在0.6~1.2 s内，压力值持续衰减，之后压力值趋于平稳，整个管道内反应结束。
对于测点T2，在爆炸初期压力变化情况同测点T1大致相同，但在爆炸进行到约为0.29 s时，压力值出现短暂下降之后又上升的情况，这位由于冲击波在经过“T”型管道路口时，冲击波和爆炸管道壁面之间存在着绕射、反射等的作用，在局部区域内造成湍流效应，因而对冲击波有着短暂的增大效果[12-13]，但由于冲击波能量损耗以及管壁散热等综合因素影响，该测点的压力峰值小于测点T1的压力峰值，在0.35 s时达到压力峰值，为0.564 MPa。之后冲击波沿着管道L1继续向前传播到达测点T3，由于能量损耗及管道散热等影响，测点T3的压力峰值继续下降，在0.40 s左右达到压力峰值0.476 MPa，说明压力冲击波沿着长直管道传播有明显衰减现象，同时在爆炸反应中后期，测点T3的变化浮动较小，这是由于测点T3相对靠后，受其他管道影响相对较小。测点T3总体压力变化情况与测点T2相似，反应进行到1.22 s时，各点压力值趋于平稳，同时爆炸冲击波沿着管道继续先前传播。
根据图4b数据分析管道L2中2个测点压力变化情况：爆炸发生后，爆炸冲击波首先由爆炸腔内传出，经过管道L1后由“T”型管道路口传到管道L2，依次通过测点T5、测点T6处，测点T5处到达压力峰值时间要比测点T6处提前约0.07 s。
对于测点T5而言，在爆炸反应初期阶段，压力值呈指数形式上升，在0.43 s时达到压力峰值0.572 MPa，压力冲击波经过“T”型管道路口后，冲击波压力值并没有出现衰减现象，反而有所增大，这是因为经过路口时在转弯处出现湍流等现象，拐弯后冲击波速度不断增大，导致压力峰值变大，由于冲击波在之后传播过程中叠加的作用，在0.48~0.73 s内，测点T5处出现4次压力峰值，但由于在后来管道内的压力衰减作用要大于压力叠加作用，因此总体趋势逐渐减小，在1.32 s时趋于平稳。
对于测点T6来说，反应前期压力变化趋势与测点T5相同，在0.5 s时达到压力峰值0.513 MPa，随后压力冲击波出现衰减，但在0.91~1.27 s内，测点T6处又先后出现了5次较为明显的峰值现象，这是由于压力冲击波在传播到管道末端后发生较为明显的反射现象，冲击波之间相互叠加，导致压力值增大，在多次的叠加过程中，冲击波的能量不断损失，压力值不断衰减。
根据图4c数据分析管道L3中2个测点压力变化情况：爆炸产生的冲击波在经过管道L1之后，要在经过一个直角转弯处，才能到达管道L3。因此，测点T4、测点T9到达压力峰值时间要相对较晚。管道L3内压力变化趋势与管道L2大致相同，但由于冲击波到达两个测点之前传播了较长的距离，造成压力冲击波传播过程中不断的衰减，两测点间到达压力峰值的相隔时间要比管道L2中两测点到达压力峰值时间间隔长，为0.11 s。
对于测点T4而言，在反应初期压力峰值几乎没有变化，在0.38 s时，压力开始迅速增长，由于冲击波在拐弯处冲击波不断叠加，以及产生的湍流现象，致使测点T4在达到压力峰值之前就出现多个压力峰值的现象，在反应进行到0.61 s时，该测点到达压力峰值0.373 MPa，之后压力值呈现衰减趋势，但在衰减阶段，压力值并不是呈直线下降，而是经过数次压力升降之后逐渐衰减[14]。
对于测点T9而言，在反应初期压力变化趋势与测点T4大致相同，由于距离爆炸源位置较远，因此，冲击波衰减效果较明显，0.72 s时达到压力峰值0.297 MPa，之后压力值开始衰减，在爆炸后期，由于冲击波传播到管道末端，发生反射造成冲击波叠加，致使压力值又出现了数次升降。
根据图4d数据分析管道L4中2个测点压力变化情况：爆炸产生的压力冲击波在管道内要经过两次的拐弯才能到达管道L4，因此测点T7、测点T8到达压力峰值时间相比其他测点要晚，在0~0.4 s内压力值几乎无变化，同时测点T8处压力变化情况受两条管道压力冲击波共同影响，因此，出现压力峰值的时间出现在爆炸反应的中后期阶段，两测点处压力峰值出现时间相隔0.35 s，同其他在同一条管道上的两测点相比，压力峰值间隔时间最长。
对于测点T7而言，由于冲击波要经过管道L2之后经过一个拐弯处才能到达测点T7，因此，反应前期压力值无明显波动，在0.4 s时，爆炸冲击波到达管道L4，压力值开始突然增加，在反应进行到0.57 s时，达到压力峰值0.423 MPa，只有由于管道内冲击波相互叠加并伴随能量损失，压力值经过数次上下波动后开始逐步衰减。
对于测点T8，前期压力值波动规律同测点T7大致相同，同时在反应前半段时间并没有达到压力峰值，在反应进行到0.83 s时，管道L3处的压力冲击波进入管道L4中，导致该测点车压力峰值在短时间内又迅速上升，在0.92 s时到达压力峰值0.345 MPa，之后开始衰减，但由于管道L3末端反射回来的部分冲击波会进入管道L4内，但方向相反的冲击波相遇时，冲击波相互叠加，造成压力值上升[8]，因此，该测点在后续的压力衰减过程中又出现压力波动现象。
图4中各测点压力变化规律大致相同，可以分为3个阶段：第一个阶段为压力平缓期，这个阶段持续时间相对较短，压力变化不明显；第二个阶段为压力突变期，这个阶段由于充入的瓦斯逐渐燃烧后发生爆炸，爆炸产生冲击波不断向前传播，导致压力持续增长，并且在压缩波和火焰波的同时作用下出现显著跃升，压力迅速到达峰值[15]；第三个阶段为平缓下降期，这个阶段压力呈逐渐下降趋势，由于实验管网末端开口，管内外大气压一致，出口处不会产生爆炸波震荡，并且最终各测点的爆炸超压接近大气压强。
2.1.2 压力衰减特征
爆炸冲击波通过管网内不同测点的衰减程度用压力衰减系数k表示，通过上一个测点压力峰值pi与下一个测点的压力峰值pi+1相比较，以此来表示压力峰值在管网内的衰减特征，计算公式如下：
$$ k = \frac{{{p_i }}}{{{p_{i {\text{ + 1}}}}}}\;\;\;\;i=1,2,\cdots,8 $$ (3) 根据式(3)计算得出爆炸压力冲击波在管网内经过各个测点的压力衰减系数见表3。根据压力衰减系数计算公式可以看出，在某测点处的压力衰减系数越大，说明在该测点的压力衰减越明显。分析表3中各数据可以看出，随着测点距离爆炸距离的增大，压力峰值衰减系数逐渐增大，说明压力的衰减程度变大。在如图3中A处的“T”形分岔路口处，测点T2和测点T5相对于测点T1的压力衰减系数分别为1.058、1.063，说明压力冲击波在该位置的衰减不大；而在如图3中B处的直角拐弯处，测点T4相对于测点T3的衰减系数达到了1.287，在所有的测点处衰减系数最大，说明冲击波在该处的衰减现象最明显，这是因为在管道内正常情况下冲击波是向前不断的传播，但到了直角拐弯处传播方向突然发生改变，导致冲击波在一定范围内接连发生反射叠加等现象，造成了能量的大量损失，因此在该处冲击波产生明显的衰减现象。
表 3 冲击波在管网内各测点的压力衰减系数Table 3. Pressure attenuation factors of the shock wave at each measuring point in the pipe network冲击波
路线测点 测点与爆炸源距离/m 压力峰
值/MPa衰减系数
kO-A-C-D T1 2.2 0.599 — T5 2.9 0.572 1.058 T6 5.1 0.513 1.115 T7 6.1 0.423 1.214 T8 10.1 0.342 1.237 O-A-B-D T1 2.2 0.599 — T2 2.8 0.564 1.063 T3 6.8 0.476 1.196 T4 8.0 0.373 1.287 T9 10.2 0.297 1.266 2.2 各管道火焰波传播特性分析
2.2.1 火焰波速度变化情况与规律分析
火焰波传播速度是研究瓦斯爆炸火焰波的一个重要参数，本实验采用传统的测量火焰波传播速度方法，即通过在实验管网的各支管中安装2个火焰传感器，记录火焰波的到达时间，在已知相邻2个火焰波传感器距离的条件下可以计算出火焰波传播的平均速度，计算公式如1.2节中式(1)所示。
火焰锋面到达各个测点位置的时间见表4。因此，根据式(1)以及表4中各实验结果数据，可以计算得出火焰波传播速度，计算结果见表5，绘制各路线速度变化曲线(图5)。
表 4 各监测点火焰锋面到达时间原始实验数据Table 4. Original experimental data of the arrival time of the flame front at each monitoring point管道 测点 测点与爆炸源距离/m 火焰到达时间/ms 均值/ms L1 T1 2.2 174.45 179.31 175.94 175.32 T2 2.8 179.13 176.12 179.11 178.12 T3 6.8 208.06 213.32 210.51 210.63 L2 T5 2.9 178.82 177.67 120.21 179.03 T6 5.1 198.88 202.19 203.49 202.01 L3 T4 8.0 247.86 249.73 247.97 248.52 T9 10.2 367.47 368.12 371.41 369.00 L4 T7 6.1 247.07 241.20 247.48 245.25 T8 10.1 — — — — 表 5 火焰波速度突变系数Table 5. Flame wave velocity change coefficient火焰波
路线距离爆炸
源距离/m速度/(m·s−1) 突变
系数γO-A-C-D 2.55 175.42 — 4.0 94.86 0.463 5.6 23.37 0.755 8.1 0 1 O-A-B-D 2.5 214.04 — 4.8 123.04 0.425 7.4 47.5 0.613 9.1 18.26 0.618 分析火焰波的O-A-C-D传播路线可知，在火焰波进入管网系统后，火焰波传播速度出现了明显的下降，火焰波传播速度降低为94.86 m/s，降幅达到了46.3%，这是由于在“T”形分岔口处，火焰波的面积突然增大，导致传播面的速度造成了损失，同时火焰波的气流与管道内壁产生了剧烈的碰撞，造成了能量的大量损失[16]。但火焰在C点处经过直角弯路口时，速度降低到了23.37 m/s，在测点T8处没有监测到火焰信号，说明在10.1 m处之前，火焰的传播速度已经降低为0 m/s。分析火焰波的O-A-B-D传播路线，火焰在进入管网后传播速度同样出现了大幅的下降，速度降为123.03 m/s，降幅为42.5%，管道L1中速度降低的幅度小于在管道L2中降低的幅度，说明在“T”形分岔口处，速度沿直线方向的损失要少于要垂直方向的损失，之后速度不断下降，最后降低为18.26 m/s。
根据火焰波速度变化情况总结了火焰波速度变化规律：随着测点与爆炸源的距离逐渐增加，各测点火焰波速度呈现下降趋势，火焰波速度变化分为两个时期，在爆炸初期，瓦斯在被点燃后，在管道内不断向前传播，形成爆燃现象，随着可燃气体越来越多地加入燃烧反应，爆燃逐渐形成了冲击波，在高温高压气流的作用下，火焰波的速度在爆炸腔内达到速度峰值。在爆炸中后期，由于可燃气体的消耗以及管网散热等作用，火焰波传播速度不断降低[17]。
2.2.2 火焰波突变特征
火焰波在复杂管网中速度突变系数用γ来表示，用前两测点间的火焰波速度与后两测点间的速度之差比上前两测点间的火焰波速度来代表速度突变特征，其计算公式如下：
$$ {\gamma }{\text{ = }}\frac{{{v_i} - {v_{i + 1}}}}{{{v_i}}} $$ (4) 根据式(4)火焰波速度，计算火焰波速度突变系数，结果见表5。
分析表中数据可知，火焰波突变的规律为：随着火焰波传播距离的增大，突变系数呈逐渐增大的趋势，而随着突变系数的增加，火焰波速度降幅较大。由此可知火焰波速度的突变特征与火焰波的传播距离有很大的关系。
2.2.3 火焰波温度变化情况与规律分析
将实验过程中各测点所测得的火焰波温度数据进行收集整理，绘制各测点的火焰波温度峰值(图6)。
在各测点中，测点T1温度最高，达到了1 837 K，测点T9温度最低，为1 521 K，其他测点温度从高到低依次为：测点T5、测点T6、测点T2、测点T7、测点T8、测点T3、测点T4。
分析各测点所在管道发现，火焰波速度大的位置温度不一定高，例如测点T5处火焰的传播速度要小于测点T2处，但测点T5处的温度反而要高于测点T2处，这是因为火焰波的温度相对于火焰波的速度有一定的滞后性。爆炸反应释放能量在短时间内耗散少[18-19]。
根据火焰波温度变化总结出温度变化规律：随着传播距离的不断增大而呈现出减小的趋势，同时在“T”型分岔口处垂直方向的温度要大于水平方向的温度，因为在瓦斯爆炸之后，产生的高温产物不断积聚，所以管道上部火焰温度高于下部火焰[20]。
3 结 论
a. 通过在利用自主设计搭建的实验平台，进行复杂管道内瓦斯爆炸冲击波火焰波实验，由实验可知：压力变化规律可大致分为3个阶段，第一个阶段为压力平缓期，这个阶段持续时间相对较短，压力变化不明显；第二个阶段为压力突变期，压力迅速到达峰值；第三个阶段为平缓下降期，这个阶段压力呈逐渐下降趋势。
b. 火焰速度变化规律：随着测点与爆炸源的距离逐渐增加，各测点火焰波速度呈现下降趋势，火焰波速度变化分为两个时期，在爆炸初期，火焰波的速度在爆炸腔内达到速度峰值；在爆炸中后期，由于可燃气体的消耗以及管网散热等作用，火焰传播速度不断降低。
c. 对压力衰减系数和速度突变系数进行计算可知，随着爆炸冲击波与火焰波在复杂管网内的传播距离不断增大，压力值的衰减趋势和速度值的突变趋势也更加明显。
-
![]()
图 3 实验系统各管道及测点
Fig. 3 Schematic diagram of each pipe and measuring point in the experimental system
表 1 各测点等效坐标值
Table 1 Equivalent coordinate values of each measuring point
m 测点 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 测点坐标 2.2,0 2.8,0 6.8,0 7.4,0.6 2.3,0.6 2.3,2.8 2.8,3.3 6.8,3.3 7.4,2.8 
下载: 导出CSV
表 2 各监测点压力峰值原始实验数据
Table 2 Original experimental data of peak pressure at each monitoring point
管道 测点 距离爆炸源距离/m 压力峰值/MPa 均值/MPa L1 T1 2.2 0.596 0.602 0.589 0.599 T2 2.8 0.562 0.531 0.569 0.564 T3 6.8 0.478 0.472 0.473 0.476 L2 T5 2.9 0.573 0.579 0.568 0.572 T6 5.1 0.512 0.509 0.512 0.515 L3 T4 8.0 0.372 0.376 0.375 0.373 T9 10.2 0.294 0.299 0.298 0.297 L4 T7 6.1 0.419 0.425 0.428 0.423 T8 10.1 0.345 0.341 0.343 0.342
下载: 导出CSV
表 3 冲击波在管网内各测点的压力衰减系数
Table 3 Pressure attenuation factors of the shock wave at each measuring point in the pipe network
冲击波
路线测点 测点与爆炸源距离/m 压力峰
值/MPa衰减系数
kO-A-C-D T1 2.2 0.599 — T5 2.9 0.572 1.058 T6 5.1 0.513 1.115 T7 6.1 0.423 1.214 T8 10.1 0.342 1.237 O-A-B-D T1 2.2 0.599 — T2 2.8 0.564 1.063 T3 6.8 0.476 1.196 T4 8.0 0.373 1.287 T9 10.2 0.297 1.266
下载: 导出CSV
表 4 各监测点火焰锋面到达时间原始实验数据
Table 4 Original experimental data of the arrival time of the flame front at each monitoring point
管道 测点 测点与爆炸源距离/m 火焰到达时间/ms 均值/ms L1 T1 2.2 174.45 179.31 175.94 175.32 T2 2.8 179.13 176.12 179.11 178.12 T3 6.8 208.06 213.32 210.51 210.63 L2 T5 2.9 178.82 177.67 120.21 179.03 T6 5.1 198.88 202.19 203.49 202.01 L3 T4 8.0 247.86 249.73 247.97 248.52 T9 10.2 367.47 368.12 371.41 369.00 L4 T7 6.1 247.07 241.20 247.48 245.25 T8 10.1 — — — —
下载: 导出CSV
表 5 火焰波速度突变系数
Table 5 Flame wave velocity change coefficient
火焰波
路线距离爆炸
源距离/m速度/(m·s−1) 突变
系数γO-A-C-D 2.55 175.42 — 4.0 94.86 0.463 5.6 23.37 0.755 8.1 0 1 O-A-B-D 2.5 214.04 — 4.8 123.04 0.425 7.4 47.5 0.613 9.1 18.26 0.618
下载: 导出CSV
-
[1] 王博. 煤矿瓦斯煤尘爆炸冲击波传播的影响因素研究[D]. 太原: 中北大学, 2019. WANG Bo. Research on influencing factors of shock wave propagation of coal mine gas and coal dust explosion[D]. Taiyuan: North University of China, 2019.
[2] 裴蓓,张子阳,潘荣锟,等. 不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性[J]. 煤炭学报,2021,46(2):498−506. PEI Bei,ZHANG Ziyang,PAN Rongkun,et al. Flame propagation characteristics of deposited coal dust explosion induced by shock waves of different intensities[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):498−506. [3] 程磊. 受限空间煤尘爆炸冲击波传播衰减规律研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2011. CHENG Lei. Research on propagation law of shock wave of coal dust explosion in confined space[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2011.
[4] WINGERDEN K V, BJERKETVEDT D, BAKKE J R, et al. Detonations in pipes and in the open[M]. St. Petersburg: Nuclear weapons and International law. Изд–во Иностранной лит, 1962.
[5] EDWARDS D H,THOMAS G O,NETTLETON M A. The diffraction of a planar detonation wave at an abrupt area change[J]. Journal of Fluid Mechanics,1979,95(1):79−96. DOI: 10.1017/S002211207900135X
[6] EDWARDS D H,FEARNLEY P,NETTLETON M A. Shock diffraction in channels with 90° bends[J]. Journal of Fluid Mechanics,1983,132:257−270. DOI: 10.1017/S0022112083001597
[7] 陈慧慧. A型管道瓦斯爆炸冲击波和火焰传播实验研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2019. CHEN Huihui. Type A pipe gas explosion shock wave and experimental study on flame propagation[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2019.
[8] 董铭鑫,赵东风,尹法波,等. 通风管网中瓦斯爆炸火焰波传播特性三维数值模拟[J]. 煤炭学报,2020,45(增刊1):291−299. DONG Mingxin,ZHAO Dongfeng,YIN Fabo,et al. Flame propagation characteristics of gas explosion in 3D ventilation pipe network by numerical simulation[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(Sup.1):291−299. [9] 马恒,陈晓军,荆德吉. H型通风巷道瓦斯爆炸及泄爆过程模拟研究[J]. 中国安全科学学报,2021,31(1):45−51. MA Heng,CHEN Xiaojun,JING Deji. Simulation study on gas explosion and discharge process in H–type ventilation roadway[J]. China Safety Science Journal,2021,31(1):45−51. [10] 耿进军,许胜铭,景国勋,等. 非燃烧区瓦斯爆炸冲击波在单向分岔管道内传播规律的试验研究[J]. 安全与环境学报,2015,15(5):108−111. GENG Jinjun,XU Shengming,JING Guoxun,et al. Propagating regularity of the gas explosion shock waves at unidirectional bifurcation of pipeline in the non–combustion zone[J]. Journal of Safety and Environment,2015,15(5):108−111. [11] 付元. 瓦斯爆炸冲击波在管道中的传播特性研究[D]. 阜新: 辽宁工程技术大学, 2014. FU Yuan. Study on the propagation characteristics of gas explosion shock wave in laneway[D]. Fuxin: Liaoning Technical University, 2014.
[12] 李鑫. 管道拐弯角度变化情况下瓦斯爆炸火焰传播规律研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2014. LI Xin. Regulation study on flame propagation of gas explosion with pipeline bend angle varying[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2014.
[13] 祝钊. 管道瓦斯爆炸流场及其影响因素数值模拟研究[J]. 中国矿业大学学报,2017,46(2):300−305. ZHU Zhao. Numerical simulation of gas explosion flow field characteristics and influencing factors in pipelines[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2017,46(2):300−305. [14] 翟成,林柏泉,叶青,等. 结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的影响[J]. 西安科技大学学报,2008,28(2):274−278. ZHAI Cheng,LIN Baiquan,YE Qing,et al. Influence of abnormal structure tube on gas explosion propagation characteristics[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2008,28(2):274−278. DOI: 10.3969/j.issn.1672-9315.2008.02.016 [15] 孙豫敏. 基于管道异常特征的瓦斯爆炸传播特性研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2015. SUN Yumin. Study on gas explosion propagation characteristics in abnormal structure tube[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2015.
[16] 解北京,杜玉晶,王亮. 分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播规律实验及数值模拟[J]. 重庆大学学报,2019,42(6):69−77. XIE Beijing,DU Yujing,WANG Liang. Experimental and numerical simulation of gas propagation law of gas explosion flame in bifurcation pipeline[J]. Journal of Chongqing University,2019,42(6):69−77. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2019.06.008 [17] 江丙友,刘泽功,林柏泉. 开口钢管内甲烷爆炸火焰厚度和压力发展特征[J]. 中国安全生产科学技术,2015,11(9):5−10. JIANG Bingyou,LIU Zegong,LIN Baiquan. Flame thickness and pressure development characteristics of methane explosion in an open steel pipe[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015,11(9):5−10. [18] 翟成,林柏泉,菅从光. 瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的传播规律[J]. 中国安全科学学报,2005,15(6):69−72. ZHAI Cheng,LIN Baiquan,JIAN Congguang. Transmission rules of gas explosion flame in divaricated tube[J]. China Safety Science Journal,2005,15(6):69−72. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3033.2005.06.016 [19] ZHU Chuanjie,GAO Zishan,LU Ximiao,et al. Experimental study on the effect of bifurcations on the flame speed of premixed methane/air explosions in ducts[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2017,49:545−550. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.05.016
[20] 郗雪辰,张树海,苟瑞君,等. 障碍物位置对瓦斯爆炸火焰传播影响的数值模拟[J]. 中北大学学报(自然科学版),2015,36(1):61−66. XI Xuechen,ZHANG Shuhai,GOU Ruijun,et al. Numerical simulation of the influence of obstacles position on flame propagation of gas explosion[J]. Journal of North University of China(Natural Science Edition),2015,36(1):61−66. -
期刊类型引用(3)
1. 徐文海，单磊，高毅仁，吴攀，莫嵘桓. 基于钻孔-切槽的冲击诱导突出耦合灾害防治技术研究. 煤矿机械. 2025(03): 80-85 . 
百度学术
2. 谭云亮，张修峰，范德源，刘学生，朱斯陶，牟宗龙，陈洋. 沿空侧向覆岩结构改性防冲机理与实践. 煤炭学报. 2025(01): 209-223 . 百度学术
3. 李延军. 复合坚硬顶板强矿压显现特征及主控层位确定. 工矿自动化. 2024(12): 36-45+84 . 百度学术
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数: 221
- HTML全文浏览量: 25
- PDF下载量: 22
- 被引次数: 3
