瓦斯抽采管路内的爆炸流场模拟研究

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瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的根本措施,将煤矿开采过程中产生的瓦斯及时抽走可大大降低瓦斯爆炸和窒息事故的发生率。我国瓦斯抽采方式大多使用煤层泄压的方法,易导致抽取管路中瓦斯浓度较低,约在8%~12%之间,正好处于爆炸极限范围内。本文以国内某煤矿实际抽采的一段水平弯管为研究对象,考察了弯管内一旦发生爆炸后,管内的温度、压力、速度、反应速率等的分布和传播特征,并对比分析了管路结构以及管径大小对爆炸流场的影响。对于弯管内的爆炸过程,管路的连续拐弯导致气体湍动能和动能耗散率增大,进而反应速率加快,弯管内气体燃烧完成的时间要比直径和长度相同的直管内反应时间短7.4%;弯管内爆炸气体的温度、压力、速度、反应速率均以一定加速度向前发展,到达管口后温度高达2947K,气体相对压力达24.4MPa,气体流速为801m/s、反应速率为3.97kmol/m3·s。直管内的燃烧火焰面自始至终呈现“<”形状,在80ms时刻,管内存在十分明显的速度波、温度波、反应速率波和压力波。其中速度波最超前,其次是压力波和反应速率波,最后是温度波。管径大小对直管内燃烧流场具有一定影响,随着管径的增大,燃烧气体的温度逐渐减小,管内气体最高瞬时速度和最大相对压力呈现先增大后减小的趋势。两种型式管路中反应速率均为先缓慢上升再加速上升的过程,在缓慢上升阶段差别不大,但在加速上升阶段,弯管内反应速率的加速度较大。从管道内气体燃烧的整个过程来看,在两种型式管道内出现的最高温度和最高反应速率几乎相同,直管内的最高相对压力和最高气体流速要显著高于弯管34.1%和13.4%。本研究对瓦斯抽采管路的设计、布置以及发生爆炸后的处理与防护措施具有重要理论意义和实际价值。
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