井下空气冲击波与高温流场的耦合关系及局部非线性特征

井下或地下爆炸事故中,空气冲击波和波后高温气流是两个主要灾害效应。巷道内爆炸空气冲击波与波后高温流场在时间和空间上相互耦合,爆炸空气冲击波在复杂巷道结构处表现为高度非线性局部特征。这两个问题是目前井下爆炸灾害效应研究的薄弱环节和难点，是矿井爆炸事故应急和控制的基础，是地下空间或井下结构抗爆性评价和分析的关键科学问题。本课题以巷道内瓦斯/空气预混区外的爆炸空气冲击波和高温流场为研究重点,研究巷道内瓦斯爆炸空气冲击波与波后高温流动在时间和空间上的耦合关系；研究爆炸空气冲击波在巷道复杂结构处的非线性特征；研究巷道尺度对爆炸空气冲击波与高温流动耦合关系的影响；研究得到爆炸空气冲击波在复杂结构处非线性特征的尺度效应；给出巷道内瓦斯爆炸空气冲击波与波后高温流动的耦合规律；给出爆炸空气冲击波通过复杂巷道结构时非线性分布的影响因素和规律。为矿井抗爆性评价、爆炸灾害控制奠定基础。

井下或地下爆炸事故中,空气冲击波和波后高温气流是两个主要灾害效应。巷道内爆炸空气冲击波与波后高温流场在时间和空间上相互耦合,爆炸空气冲击波在复杂巷道结构处表现为高度非线性局部特征。这两个问题是目前井下爆炸灾害效应研究的薄弱环节和难点，是矿井爆炸事故应急和控制的基础，是地下空间或井下结构抗爆性评价和分析的关键科学问题。本课题以巷道内瓦斯/空气预混区外的爆炸空气冲击波和高温流场为研究重点,研究得到巷道内瓦斯爆炸空气冲击波与波后高温流动在时间和空间上的耦合关系；研究得到爆炸空气冲击波在巷道复杂结构处的非线性特征；研究得到巷道尺度对爆炸空气冲击波与高温流动耦合关系的影响；研究得到爆炸空气冲击波在复杂结构处非线性特征的尺度效应。为矿井抗爆性评价、爆炸灾害控制奠定基础。通过数值模拟研究并获得了支护间距、巷道断面面积、瓦斯积聚区长度和浓度、初始风流速度等因素对直巷道内瓦斯爆炸效应的影响规律，总结出冲击波峰值超压、峰值温度随瓦斯积聚区长度和轴向距离的指数关系，以及火焰区长度随瓦斯积聚区长度的指数关系。通过指数拟合，得到了可能由火焰或高温气流引发煤尘二次爆炸的空间范围随瓦斯积聚区长度的函数关系，以及积聚区外峰值温度和峰值超压到达时间的间隔随轴向距离和积聚区长度的函数关系。研究获得了瓦斯爆炸以后高温流动经过转弯和分叉结构时的温度场分布特征。相比于峰值温度衰减系数，用峰值温度的实际衰减量研究复杂结构温度场分布特性更恰当。高温气流在转弯处的紊流区长度不超过10倍的巷道尺度距离。对于转弯巷道，给出了高温气流紊流区末端峰值温度与直巷道相比的衰减量随转弯角度的线性关系以及转弯处峰值温度相比于直巷道的衰减量随转弯角度的线性关系。高温气流在分叉后主巷道和分巷道的紊流区长度分别不超过5倍和40倍的巷道尺度距离。对于分叉巷道，给出了高温气流在主巷道紊流区末端峰值温度相比于直巷道的衰减量随分叉角度的线性关系，从巷道紊流区末端峰值温度相比于直巷道的增加量随分叉角度的线性关系，以及分叉处峰值温度相比于直巷道的衰减量随分叉角度的线性关系。