小尺寸管道內(nèi)二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬*

羅 振 敏,王 濤,程 方 明,宋 鈺,吳 慷

(1.西安科技大 學(xué)能源學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué)西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710054)

小尺寸管道內(nèi)二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬*

羅 振 敏1,2,王 濤1,2,程 方 明1,2,宋 鈺1,2,吳 慷1,2

(1.西安科技大 學(xué)能源學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué)西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710054)

為了有效防治礦井瓦斯爆炸事故,以瓦斯的主要成分甲烷作為模擬氣體,運(yùn)用自主設(shè)計(jì)改裝的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),結(jié)合高速攝影儀,并采用 FLACS數(shù)值模擬軟件,研究惰性氣體抑爆條件下甲烷燃燒爆炸特性,進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)為6%~27%的CO2抑制體積分?jǐn)?shù)為9%CH4爆炸的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬,結(jié)果表明:各組分混合氣體在爆炸傳播過(guò)程中,爆炸壓力、火焰鋒面速度和氣體運(yùn)動(dòng)速度均呈現(xiàn)一定程度的波動(dòng),且壓力和速度沒(méi)有同時(shí)達(dá)到最大值;CO2的加入有效抑制了甲烷/空氣反應(yīng),且添加 CO2體積分?jǐn)?shù)越大,抑爆效果越明顯,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

爆炸力學(xué);火焰?zhèn)鞑ヌ匦?FLACS軟件;瓦斯爆炸;CO2

瓦斯爆炸事故是煤炭生產(chǎn)中最主要的災(zāi)害之一。瓦斯主要成分是甲烷,對(duì)瓦斯(甲烷)爆炸的特性、傳播規(guī)律已有大量的理論分析、數(shù)值模 擬和實(shí) 驗(yàn) 研 究,對(duì) 瓦 斯 抑 爆 技 術(shù) 也 展 開(kāi) 了 不 少 有 效 探 索[1-3]。 目前較為常見(jiàn)的抑爆技術(shù)有惰性氣體抑爆、水系抑爆、粉體抑爆、多孔材料抑爆和氣溶膠抑爆等。由于瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性以及實(shí)驗(yàn)條件的制約,使得實(shí)驗(yàn)研究在規(guī)模、全面性等方面具有一定局限性。數(shù)值模擬是實(shí)驗(yàn)研究的外延,可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足,與其互為補(bǔ)充,并且具有快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

在惰性氣體抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬方面,錢海林等[4]從爆炸極限、抑爆效果和極限氧體積分?jǐn)?shù)3個(gè)方面研究了 一 定 比 例 的 N2/CO2混 合 氣 體 對(duì) 甲 烷 爆 炸 的 影 響;喻 健 良 等[5-6]數(shù) 值 模 擬 了He與N2作用下圓管內(nèi)高速爆燃火焰的淬熄現(xiàn)象,并對(duì)惰性氣體在可燃性氣體活性與圓管直徑不同的情況下的淬熄 效果做 出分析 ;王建等[7]對(duì)于惰性氣體對(duì) H2/O2混合氣 體爆轟 性能的 影響機(jī) 制進(jìn) 行 了 理論計(jì)算、反應(yīng)機(jī)理模擬和實(shí)驗(yàn)研究,指出 N2、H2O、CO2對(duì) H2/O2氣體的阻尼能力依次增加,且由于其化學(xué)阻尼機(jī)制不同,各惰性氣體抑制爆炸反應(yīng)進(jìn)程的能力也不同;王連聰?shù)萚8]用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論和詳細(xì)的瓦斯爆炸反應(yīng)機(jī)理,對(duì)封閉空間內(nèi)水和 CO2影響瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析;賈寶山等[9-10]運(yùn)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件 CHEMKIN 模 擬 了 N2及 CO2對(duì) 瓦 斯 爆 炸 過(guò) 程 中 反 應(yīng) 物 、自 由 基、爆炸后產(chǎn)生的主要致災(zāi)性氣體的體積分?jǐn)?shù)以及甲烷總消耗速率等變化的影響,并分析了兩者對(duì)瓦斯爆炸反應(yīng)過(guò)程影響的異同;何 昆[11]研究了 純氧環(huán) 境下 CO2對(duì) 甲 烷 爆 炸 極 限 的 影 響,并 用 爆 炸 三 角 形 分 析 指出,CO2對(duì)甲烷爆炸的抑制效 果 好 于 N2;李 成 兵 等[12-13]對(duì) N2/CO2/H2O 抑 制 甲 烷 燃 燒 進(jìn) 行 了 數(shù) 值 模擬,并對(duì)其抑制機(jī)理進(jìn)行了理論分析。

以上研究,對(duì)于惰性氣體抑爆條件下瓦斯燃燒爆炸過(guò)程中各流場(chǎng)分布特征的研究尚不夠深入,因此,本文中擬在前人的研究基礎(chǔ)上,以瓦斯的主要成分甲烷作為瓦斯的模型氣體,運(yùn)用小尺寸石英玻璃爆炸管道和FLACS模擬軟件對(duì)CO2影響下的甲烷燃燒爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦约捌涓髁鲌?chǎng)分布特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,結(jié)果表明:CO2的加入有效抑制了甲烷/空氣反應(yīng),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,可對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的安全工作有所指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

XKWB-S型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由石英玻璃爆炸管道、高速攝影儀、點(diǎn)火系統(tǒng)、時(shí)間同步控制系統(tǒng)組成,如圖1所示。石英玻璃管道內(nèi)徑88 mm、壁厚16 mm、長(zhǎng)1 600 mm;高速攝影儀為日本 FASTCAM Super 10K Series,為了拍攝火焰在石英管道中的傳播特性,實(shí)驗(yàn)中采用為500、125 s-1的拍攝速度;時(shí)間同步控制系統(tǒng)確保在點(diǎn)火的同時(shí)觸發(fā)高速攝影儀,進(jìn)行火焰圖像采集。實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行,溫度14~16℃,濕度56%~64%RH。配制 CH4體積分?jǐn)?shù)為9%的空氣/CH4混合氣體(以下簡(jiǎn)稱9% CH4),以及體積分?jǐn)?shù)分別 為 6%、9%、12%、15%、18%、21%、24% 和 27% 的 CO2與 9%CH4的 空 氣/ CH4/CO2混合氣體,研究9%CH4在上述各體積分?jǐn)?shù) CO2氣體影響下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｅ錃鈺r(shí),首先按照質(zhì)量流量原理往管道內(nèi)充入一定量的實(shí)驗(yàn)所需氣體,再用氣體循環(huán)泵循環(huán)5 min使其混合均勻,采用SP3430高精度氣相色譜儀檢驗(yàn)所配混合氣體濃度。配氣和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,玻璃管道另一端弱封閉,點(diǎn)火后火焰沖擊波沖破弱封閉端,起到泄爆作用。

圖1 XKWB-S實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of XKWB-S experimental setup

1.2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

受限空間氣體爆炸過(guò)程是一個(gè)快速的燃燒反應(yīng)過(guò)程,滿足質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒和化學(xué)組分平衡方程。對(duì)基本方程進(jìn)行 Reynolds分解和平均,在各向同性湍流條件下,引入各向同性湍流粘度系數(shù)的概念,則可得 到以相 湍流燃 燒的時(shí) 均方程 組[14]為:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

化學(xué)組分平衡方程:

式 中 :xi、xj和t分 別 為 空 間 和 時(shí) 間 坐 標(biāo) ;ρ、p、h和Y 分 別 為 密 度 、壓 力 、總 焓 、可 燃 性 氣 體 質(zhì) 量 分 數(shù) ,k為 湍 流 動(dòng) 能為i方 向 的 速 度 分 量 ,R 為 混 合 氣 體 的 時(shí) 均 燃 燒 速 率 ,σ為 Prandtl數(shù) ,;S為 耦 合 輻 射 而 引 起 的 輻 射 源 項(xiàng) ,在 輻 射 模 型 中 定 義 ,μ 為 有 效 黏 性eff為 分 子 黏 性 系 數(shù),為 湍 動(dòng) 黏 度 ,其 中為 計(jì) 算 常 數(shù) ,ε為 湍 動(dòng) 能 耗 散 率為 克羅內(nèi)克符號(hào)

對(duì)于爆炸過(guò)程中的湍流特性,選用k-ε湍流模型進(jìn)行描述,其基本方程如下:

k方程:

ε方程:

1.2.2 數(shù)值方法與邊界條件

幾 何 模 擬 內(nèi) 徑88 mm、長(zhǎng)1 600 mm(L/D=18)、壁 厚16 mm 的 石 英 玻 璃 管,一 端 封 閉 另 一 端 敞 口 。點(diǎn) 火 源 位 于 距 離 封 閉 端 的 底 面10 cm 處 的 管 道 中 心,傳 感 器 設(shè) 置 在 管 道 長(zhǎng) 軸 的 正 中 心 處,可 采 集 爆 炸 過(guò)程中管道中心處的溫度、壓力、氣體運(yùn)動(dòng)速度等流場(chǎng)參數(shù)。對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分,采用階梯型邊界逼近真實(shí)邊界。沿容器壁面,速度給無(wú)滑移條件,壁面法向壓力、溫度和密度梯度均指定為0。點(diǎn)火前混合氣體處于常溫、常壓狀態(tài)。

整個(gè)模擬過(guò)程采用三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算方法,用控制容積積分法導(dǎo)出離散微分方程,SIMPLE壓力修正算法來(lái)確定壓力、速度場(chǎng),離散微分方程的求解則采用交替方向迭代法,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng) Δt=10μs。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2對(duì)甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詤?shù)的影響

圖2為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中9%CH4在6%~15%CO2影響下的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程,高速攝影儀拍攝速度為500 s-1,18%CO2影響下管道中只有極微弱的淡藍(lán)色火焰,在此傳播過(guò)程圖像略去。21%~27%CO2作用時(shí),點(diǎn)火后根據(jù)高速攝影儀的拍攝記錄,爆炸管道內(nèi)沒(méi)有發(fā)生變化,取得點(diǎn)火前后管道內(nèi)的氣體試樣進(jìn)行色譜分析對(duì)比,氣樣成分變化較小,可忽略不計(jì),即9%CH4在21%~27%CO2的影響下沒(méi)有發(fā)生爆炸。從圖中可以看出,隨著添加CO2體積分?jǐn)?shù)的遞增,火焰強(qiáng)度、亮度均逐漸下降。CO2添加量為12%時(shí),由于CH4未完全燃燒生成CO,管道內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)藍(lán)色火焰,隨后火焰亮度顯著降低,添加量升至15%時(shí),管道內(nèi)部只有微弱的火苗傳播且時(shí)間較長(zhǎng)。

體積分?jǐn)?shù)9%的CH4和其添加6%~12%的CO2后,其火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)比趨勢(shì)如圖3所示,加入 CO2后爆炸火焰鋒面的傳播速度明顯降低。速度峰值由未添加 CO2時(shí)的82.81 m/s下降至添加12%CO2時(shí)的42.57 m/s,降幅約49%。加入 CO2后,混合氣體爆炸火焰鋒面速度在0~24 ms平緩增大,約24 ms時(shí)達(dá)到峰值,24~34 ms火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣?穩(wěn)定下降,34 ms時(shí)速度最小。此后除 添 加6%CO2外,由于火焰的不穩(wěn)定性和湍流作用,其余混合氣體的火焰鋒面速度突然增大,有達(dá)到二次波峰的趨勢(shì)。就其整體而言,隨著CO2添加量的增大,火焰鋒面速度降低幅度遞增。CO2氣體的抑爆作用在于,其降低了反應(yīng)罐中 O2的體積分?jǐn)?shù),使得氧分子與 CH4分子接觸機(jī)會(huì)減少,沒(méi)有足夠的 O2和氧自由基參加支鏈反應(yīng),導(dǎo)致CH4的氧化反應(yīng)速率降低;依據(jù)分子碰撞理論,CO2加入后在分子的碰撞過(guò)程中,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的活化自由基或自由原子的能量轉(zhuǎn)移到CO2上,使其活性降低以致燃燒中斷,抑制了爆炸能量的傳播[11]。 另 外,由 于 CO2本 身 就 是 甲 烷/空 氣 反 應(yīng) 產(chǎn) 物 的 主 要 組 成 部 分,因 此 添 加 的CO2可以有效阻止CH4燃燒爆炸反應(yīng)向正向進(jìn)行。

圖2 不同氣體組分下火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig.2 Flame propagation processes under different gas compositions

圖3 不同氣體組分下火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣菷ig.3 Velocities of flame propagation under different gas compositions

圖4 所示分別為爆炸火焰?zhèn)鞑r(shí)間、火焰鋒面平均速度實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。圖4(a)中,數(shù)值模擬管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體吻合,CO2添加量為18%時(shí),兩者偏差較大,但變化趨勢(shì)一致,甲烷火焰的傳播時(shí)間隨著CO2添加量的增大而逐步延長(zhǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)管長(zhǎng)與管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r(shí)間之比計(jì)算出管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑テ骄俣?如圖4(b)所示,可見(jiàn)兩者存在一定的誤差。由于數(shù)值模擬過(guò)程中的環(huán)境條件均為理想狀態(tài),而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中混合氣體均勻程度、氣體狀態(tài)、火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中與玻璃管道的熱交換以及壁面的反射作用、還有火焰速度的不穩(wěn)定等等,導(dǎo)致了誤差,這是兩者存在差異的主要原因。此外,FLACS軟件在大型工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛,精確度較高,對(duì)于小尺寸實(shí)驗(yàn)管道略有偏差,也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生部分誤差。

圖4 不同氣體組分下火焰?zhèn)鞑r(shí)間和平均速度的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比Fig.4 Comparison of flame propagation time and average velocity between simulation and experiment under different gas compositions

2.2 CO2對(duì)甲烷爆炸流場(chǎng)分布特征的影響

圖5所示為位于管道中心的傳感器所測(cè)各個(gè)組分爆炸壓力-時(shí)間曲線,以圖中9%CH4壓力曲線為例,泄壓前管道中心處壓力隨著火焰的傳播而迅速增大,16 ms內(nèi)由0升至73 k Pa,泄壓之后壓力值迅速下降,由于受到爆炸傳播過(guò)程中湍流的影響而出現(xiàn)波動(dòng)并一度降為負(fù)壓狀態(tài)。隨著CO2添加量的增大,各組混合氣體的爆炸壓力峰值逐漸降低,由9%CH4時(shí)的73 k Pa降至9%CH4+18%CO2時(shí)的17 k Pa,降幅約為77%;壓力峰值時(shí)間不斷延長(zhǎng),由9%CH4時(shí)的17 ms延長(zhǎng)至9%CH4+18%CO2時(shí)的57 ms,延長(zhǎng)幅度約為3.35倍。

以9%CH4+9%CO2數(shù)值模擬結(jié)果為例,選取石英玻璃管道最大垂直截面作為研究對(duì)象,其爆炸傳播過(guò)程中5個(gè)特征時(shí)刻的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氣體運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)分布如圖6所示。點(diǎn)火源位于石英管道封閉端10 cm 處,點(diǎn)火后燃燒鋒面呈近球形向四周傳播,抵達(dá)管道壁面之后,沿管道壁面分別朝封閉端、敞口端兩個(gè)方向傳播。當(dāng)爆炸持續(xù)到22 ms時(shí),傳向管道封閉端的壓力波經(jīng)底面反射回管道中間,并與先前向敞口端傳播的前驅(qū)壓力波重合,兩者重疊后朝敞口端運(yùn)動(dòng)且有明顯的壓力梯度,同時(shí)管道內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)速率朝敞口方向明顯遞增;第25 ms時(shí),壓力波傳至敞口端,在其作用下敞口處氣流速率顯著增大,并在管道敞口處形成負(fù)壓區(qū)域;第29 ms時(shí),燃燒火焰沖出管道敞口端,產(chǎn)生泄爆,敞口端負(fù)壓區(qū)域在回流氣體的作用下向管道內(nèi)部移動(dòng),同時(shí)封閉端處壓力逐漸減小,管道內(nèi)部溫度降低,并且氣體運(yùn)動(dòng)速度在敞口處增至最大值;第31 ms時(shí),負(fù)壓區(qū)域運(yùn)動(dòng)至管道封閉端,使封閉端氣流運(yùn)動(dòng)速率有所回升,敞口端氣流運(yùn)動(dòng)速率迅速減小;第35 ms時(shí),管道內(nèi)部壓力在震蕩中逐步恢復(fù)至常壓狀態(tài),泄爆后的高溫氣體在回流作用下緩慢向管道內(nèi)部移動(dòng),使管道封閉端處氣體被壓縮,溫度上升。

模擬爆炸過(guò)程中管道中心處氣體爆炸壓力和氣體運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線如圖7~8所示,選取9%CH4和9%CH4+9%CO2這2種組分的模擬結(jié)果。

圖5 不同氣體組分下氣體爆炸壓力模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of explosion pressure under different gas compositions

2種組分的爆炸過(guò)程中爆炸壓力-時(shí)間曲線和氣體運(yùn)動(dòng)速度-時(shí)間曲線可以劃分為3個(gè)階段,第1階段,9%CH4時(shí)的0~16 ms(9%CH4+9%CO2時(shí)的0~24 ms),爆炸發(fā)生后,氣體急速膨脹使得管道中心處質(zhì)點(diǎn)的速度和壓力迅速上升,壓力達(dá)到最大值,氣體運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到其第1個(gè)波峰;第2階段,9%CH4時(shí)的16~23 ms(9%CH4+9%CO2時(shí)的24~30 ms),壓力由峰值迅速下降至負(fù)壓,根據(jù)圖6模擬壓力場(chǎng)和氣體運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)分析可知,由于泄爆之后管道內(nèi)部壓力梯度增大,湍流強(qiáng)度增大,導(dǎo)致中心處氣體運(yùn)動(dòng)速度在大幅度震蕩中達(dá)到最大值;第3階段,9%CH4時(shí)的23~26 ms(9%CH4+9%CO2時(shí)的30~36 ms),泄爆后敞口端處的負(fù)壓區(qū)域在回流氣體的帶動(dòng)下向管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng),由于湍流的影響,使管道中心處的壓力在波動(dòng)中恢復(fù)常壓狀態(tài),氣體運(yùn)動(dòng)速度在震蕩中逐步減小。所以,在爆炸傳播過(guò)程中爆炸壓力和氣體運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有同時(shí)達(dá)到最大值,可以認(rèn)為主要是受爆炸傳播過(guò)程中以及泄爆之后管道內(nèi)部的壓力梯度變化和湍流的影響。

圖6 石英管道內(nèi)最大垂直截面處模擬壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of pressure,temperature and velocity field in the cross section of quartz tube center by simulation

圖7 管道中心處不同組分氣體爆炸壓力對(duì)比Fig.7 Explosion pressure under different gas compositions in the center of quartz tube

圖8 管道中心處不同組分氣體運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比Fig.8 Velocities of reaction products under different gas compositions in the center of quartz tube

3 結(jié) 論

通過(guò)小尺寸管道內(nèi)二氧化碳抑制甲烷爆炸的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究,可以得出以下結(jié)論:

(1)9%的 CH4在6~18%CO2作用下仍會(huì)發(fā)生爆炸現(xiàn)象,且隨著 CO2添加量的增大爆炸壓力減小,火焰的強(qiáng)度、亮度均逐步降低,傳播速度逐漸遞減,添加體積分?jǐn)?shù)18%的 CO2后,9%CH4爆炸壓力峰值降低約77%,壓力峰值到達(dá)時(shí)間延長(zhǎng)約3.35倍。21~27%的 CO2完全抑制了9%CH4的爆炸。

(2)在 CO2惰性氣體影響下,9%CH4爆炸傳播過(guò) 程 中,火 焰 鋒 面速度和氣 體 運(yùn) 動(dòng) 速度經(jīng)歷上 升、下降、二次波峰和下降的過(guò)程,爆炸壓力經(jīng)歷壓力積聚、傳播、泄壓、負(fù)壓回流和震蕩并恢復(fù)常壓等階段。由于壓力波、反射壓力波、壁面作用和形成湍流的影響,壓力和速度均呈現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。泄爆后的高溫氣體在回流作用下向管道內(nèi)移動(dòng),使管道封閉端處氣體被壓縮,溫度上升。

(3)受到爆炸傳播過(guò)程中以及泄爆之后管道內(nèi)部的壓力梯度變化和湍流的影響,各組分混合氣體在爆炸傳播過(guò)程中爆炸壓力和氣體運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有同時(shí)達(dá)到最大值。

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Experimental and numerical studies on the suppression of methane explosion using CO2in a mini vessel*

Luo Zhen-min1,2,Wang Tao1,2,Cheng Fang-ming1,2,Song Yu1,2,Wu Kang1,2
(1.School of Energy Engineering,Xi’an University of Science&Technology, Xi’an 710054,Shaanxi,China; 2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Ministry of Education, Xi’an University of Science&Technology,Xi’an 710054,Shaanxi,China)

Gas explosion is the leading accident in underground coal mining in China.In order to prevent mine gas explosion effectively,methane,the dominant sector of mine gases,was taken as experimental medium.A quartz tube test system,in which the ratio of length to diameter is 18,was designed and made.A high-speed camera and numerical simulation software FLACS was employed to study the characteristics of methane explosion.The impact of CO2at various concentrations on the suppression of 9%methane explosion was investigated.Fluctuations were observed on the explosion pressure,the velocity of the flame front and the velocity of the mixed gases during the propagation of the gas explosion.The time to reach the maximum for the pressure was not simultaneous with that for velocity.Additionally,carbon dioxide can effectively suppress the reaction between methane and oxygen and the larger the concentration of CO2is,the better the suppression effect will be.Simulation results are in accordance with the experiments.

mechanics of explosion;flame propagation characteristics;FLACS;gas explosion;CO2

O381國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:1303510

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0393-08

(責(zé)任編輯 王易難)

2013-11-11;

2014-04-04

國(guó)家 自然科學(xué)基 金項(xiàng)目(10902038);陜 西省科技攻 關(guān)項(xiàng)目(2015SF280);陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2012KCT-09);西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2013QDJ048)

羅 振 敏(1976— ),女 ,博 士 ,教 授 ,luozm9903@163.com。