气液两相介质抑制瓦斯爆炸协同机理研究

Gas explosion is one of the important disasters in the process of industrial production in China. At the same time, gas is a kind of potential clean energy. It is of great practical significance to study the suppression of gas explosion for China's industrial production safety. Current research on combustible gas explosion suppression focuses on macro parameters, such as overpressure and flame spread of gas explosion, there are few researches on the influence of microstructure of flame during the process of suppression and researches on the dynamic process of explosion suppression. Study on the synergistic inhibition mechanism of gas-liquid two phase medium on pipeline gas explosion also needs to provide further experimental and theoretical explanations. Based on above, through laboratory test, theoretical analysis and numerical simulation methods, this project will research the effect of gas-liquid two phase medium on flame propagation stability and explosion flame microstructure, construct the gas explosion flame burning rate model with the effect of gas-liquid two phase medium, to reveal the synergistic effect of inert gas and water mist on explosion pressure wave and flame wave; this project also will research the micro mechanism of gas explosion in gas-liquid two phase medium, analyze the correlation between the influence factors, to obtain the critical conditions of suppression on gas explosion ,which is conducive to provide scientific support to research the mechanism of gas and gas explosion suppression with gas-liquid two phase medium.

瓦斯爆炸是我国工业生产过程中重要灾害之一，同时，瓦斯又是一种潜在的清洁能源，研究抑制瓦斯爆炸对我国工业生产安全有着重要的现实意义。目前国内外抑制气体爆炸研究侧重于爆炸超压、火焰传播速度等宏观参数，而针对抑爆过程中抑爆剂对火焰微观结构的影响、抑爆的动力学过程研究较少。基于此，本项目拟采用实验测试、理论分析与数值模拟相结合的方法，研究气液两相介质对爆炸火焰微观结构与火焰传播稳定性的影响，构建气液两相介质作用下瓦斯爆炸火焰燃烧速率模型，揭示惰性气体与细水雾抑制爆炸压力波、火焰波的协同作用机制；研究气液两相介质抑制瓦斯爆炸的微观机理，分析影响抑爆效果因素的相关关系，获得影响抑爆效果的关键参数，为系统研究气液两相介质抑制瓦斯爆炸的协同机理提供科学支撑。

瓦斯爆炸是我国煤矿事故的头号杀手。面对单一抑爆剂使用浓度高、细水雾抑爆效果不稳定、井下除水任务重等问题，提高抑爆技术的有效性和稳定性迫在眉睫。该项目研究了惰性气体与超细水雾抑制瓦斯爆炸协同规律和机理。结果表明：1）气液两相介质对9.5%甲烷/空气预混气爆炸抑制表现出了明显的协同增效作用，但协同增效作用并不随惰性气体体积分数与超细水雾质量浓度的增加而线性增长；2）气液两相抑爆明显减少了抑爆剂的用量，同时降低了对惰性气体种类的限制。当四种惰性气体体积分数达到14%、超细水雾质量浓度694.4g/m3后，均能产生良好抑爆效果，远优于单一抑爆剂。CO2与超细水雾的协同抑爆效果最好，N2稍差，He、Ar与超细水雾的抑爆水平相差不大；控制参数继续增加，抑爆增效作用的增长幅度缩小。18%-CO2-1041.7g/m3超细水雾时完全惰化9.5%甲烷/空气预混气。3）气液两相介质在减少胞状结构数目的同时，还能增加胞状结构尺寸，增加火焰厚度，显著抑制流体动力学不稳定性，降低火焰速度；在水雾的拥塞和吸热作用下，加剧了对火焰的拉伸作用，火焰出现不对称结构，导致压力波对火焰阵面的压缩作用必然降低，如此继续，火焰传播不断被抑制。4）建立了惰性气体/细水雾抑爆传热-传质耦合模型，基于FLUENT数值模拟发现：气液两相介质作用下，惰性气体的加入能快速抑制火焰锋面的气相反应速率，降低火焰传播速度和释热速率，进而降低了水雾蒸发速率，延长了雾滴在火焰区的生存时间，更好地发挥了水雾的冷却作用，说明惰性气体与超细水雾协同抑爆时具有良好的相间耦合作用。同时，基于CHEMKIN数值模拟发现：CO2-超细水雾能显著降低H/O/OH的最大自由基产生速率，降低效果优于单一抑爆剂；另一方面，随着CO2-超细水雾体积分数的增加，绝热火焰温度单调下降，抑制了火焰的胞状不稳定性，从物理和化学两方面揭示了气液两相介质抑制瓦斯爆炸的协同机理，为发展清洁高效气液两相抑爆技术提供了理论与技术支撑，具有重要的科学价值、现实意义和应用前景。