气体爆炸机理

气体爆炸机理及研究方法和研究现状

目录

1瓦斯爆炸机理 (2)

1.1瓦斯爆炸链式反应机理 (2)

1.2 瓦斯爆炸火焰加速机理 (2)

2瓦斯爆炸的研究方法及进展 (3)

2.1实验室研究 (4)

2.2数值模拟研究 (5)

3未来展望 (5)

参考文献 (6)

摘要：本文讨论了瓦斯爆炸的链式反应机理和火焰加速机理，认为瓦斯爆炸过程是两种机理共同作用的结果。此外还对瓦斯爆炸的研究方法和研究进展进行了总结。

关键字：瓦斯爆炸；实验研究；数值模拟；进展

矿井瓦斯爆炸事故的频发造，造成了严重的人员伤亡和社会影响。瓦斯爆炸机理的研究对矿井瓦斯爆炸事故的预防有重要意义。

1瓦斯爆炸机理

1.1瓦斯爆炸链式反应机理

较低温度下(900K)甲烷氧化爆炸反应遵循链式反应机理，由链引发、链传递、链分支、链终止四个阶段构成，主要为 8 个基元反应方程。

1.2 瓦斯爆炸火焰加速机理

现阶段, 瓦斯爆炸火焰传播机理还主要集中于在管道内传播机理分析。管道内瓦斯爆炸后火焰会自发加速直到爆轰为止，具体过程如下：火焰加速、冲击波压缩、冲击波相互作用、冲击波增强、压缩和加热未燃气体, 最终在前驱冲击波和火焰阵面之间产生爆炸,并形成爆轰。

在点火后瓦斯爆炸初始阶段，火焰通常是层流的，随着火焰从点火中心生长，就会逐步“湍流化”。这个过程就是我们所说的火焰加速机理。初始层流火焰在一定条件下会转变成湍流火焰，使火焰加速。

这种转变主要通过以下两种机制实现：

（1）当雷诺数足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；

（2）压力波与火焰的相互作用形成湍流。

事实上，火焰加速机理的具体描述到目前为止并不多，形成的火焰加速机理理论还有: 在气相燃烧理论中的压力波与燃烧阵面相互作用而导致界面不稳定性理论; 由火焰产生的前驱冲击波对未燃混合物的加热和压缩的正反馈机理; 火焰阵面微分加速机理;火焰阵面湍流加速机理等。具体哪种加速理论更加具有适用性，还取决于现阶段实验条件，所以需要进一步研究。

2瓦斯爆炸的研究方法及进展

目前，国内外学者对瓦斯爆炸的研究方法主要有两种：实验室研究和数值模拟研究。

2.1实验室研究

1910年,美国矿务局建立了专门的巷道式实验矿井，开始了对矿井瓦斯爆炸事故的实验研究,对爆炸过程中火焰传播速度、爆炸超压的变化趋势、障碍物对爆炸波的影响等进行了分析。从实验研究的启蒙到今日,全世界各主要产煤国家，如法国、英国、日本、德国、波兰都陆续建立了自己的大型瓦斯爆炸实验巷道。我国在这方面的研究起步较晚 ,但也相继在煤科总院重庆分院、北京理工大学、中国矿业大学、南京理工大学等建立了井下巷道或实验巷道的气体爆炸实验系统。煤科总院重庆分院的第１条瓦斯煤尘爆炸实验巷道建立于1982年，巷道全长896ｍ，横截面积为7.2ｍ２。司荣军、徐景德等都利用该实验巷道做了关于瓦斯爆炸的实验,他们分别选用不同的瓦斯与空气混合体积,针对爆炸压力峰值、压力增长速率、最高压力峰值与爆源点的距离、火焰温度等数据进行了研究。测量火焰传播速度的方法有２种，一种是利用相邻光电传感器的距离与时间差的比值进行计算，这个方法误差率大。另一种是利用高速摄像机对火焰的传播过程进行记录，然后通过火焰传播的传播路径和经过时间来计算。

为了获得更多关于巷道比例尺寸、障碍物尺寸大小、数量多少及壁面粗糙程度等一些外因对瓦斯爆炸传播的影响，需要频繁地修改巷道结构，这样做虽然可以得到更接近井下环境中爆炸的真实数据，但成本高、周期长、实用性不强。着重于小尺寸管道的爆炸实验似乎更切合实际。

2.2数值模拟研究

现在，比较成熟的模拟商用软件主要有Auto-ReaGas、Fluent、FLACS等。

江丙友等采用AutoReadGas软件对瓦斯爆炸冲击波在并联巷道内的传播特征进行了数值模拟。研究结果显示，冲击波峰值超压和最高温度随着巷道距离的增加而不断减小，传播到回风巷交叉口时,２条相向传播的冲击波在此处交汇并相互叠加,导致冲击波超压和温度突然增大；２个并联采煤工作面最高温度与峰值超压在巷道内的变化规律基本一致。

王志荣运用Fluent软件采用ｋ－ｅ湍流模型和涡破碎燃烧模型,通过解守恒方程,模拟了密闭管道内均匀混合气体爆炸过程,研究了点火位置、气体浓度、管道长径比和管道内障碍物等对爆炸过程影响；还模拟了连通容器内气体爆炸过程中火焰传播、压力变化以及湍流流动过程。数值模拟结果与实验基本上一致。

吴兵等采用三维Ｎ－Ｓ方程，用TVＤ格式对瓦斯爆炸过程进行了数值模拟，分析了障碍物对爆炸过程中压力波、火焰温度的影响。3未来展望

目前，通过大型巷道、小尺寸实验研究和数值模拟仿真研究对瓦斯爆炸取得了一定的研究成果，为预防瓦斯爆炸、控制爆炸事故严重程度及事故调查取证提供了理论依据。但

是，在以下几个方面还需作深入探讨。

１）煤矿井下的实际条件比较复杂，巷道结构交叉相连，巷道的

结构如何设置才能降低瓦斯爆炸冲击波的破坏力。实验中的瓦斯的浓度都是均匀的，但实际井下的瓦斯浓度分布是不均匀的，爆炸环境除了考虑温度、压力以外，还应该考虑湿度、气流速率等因素对爆炸特性的影响。

２）目前为止，数值模拟仿真技术的发展相当快，模拟得出的数据与实验所得基本相符。但是，如何将模拟的计算时间缩短、精度提高，爆炸过程可视化，简化数据结果等这些方面都有待提高。

参考文献

[1]罗振敏，邓军，郭晓波.基于Gaussian的瓦斯爆炸微观反应机理.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第27卷第3期.

[2]魏嘉，闻利群.瓦斯爆炸的研究进展及展望.山西化工.2015年第1期.

[3]杨春丽,杨春燕,刘琦.瓦斯爆炸实验研究进展及展望.中国安全生产科学技术.第8卷,第3期.

[4］江丙友，林柏泉,朱传杰，等．瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中传播特性的数值模拟［J].燃烧科学与技术,2011，17(3):250-254．