含浓度梯度的矿井瓦斯点火与爆燃传播现象实验研究

This project focuses on studying the ignition and explosion of the methane air premixture with concentration gradient. The topics include (1) to measure the concentration gradient downstream and the induced explosion propagatin after the premixture is excited. The slide valve removal or permeable memberane is used to diffuse the methane from the high pressure section. The methane diffusion is checked by high-speed schilieren and absorbtion spectroscopy TDLAS. In the experiments, the time histories of pressure, flame and leading shock waves are recorded to demonstrate the generation of methane explosion. The results are also compared to those without concentration gradient. (2)By imaging of laser based schilieren, OH-PLIF and CH-PLIF, the phenomena of shock wave and defalgration interacting with barrier inside the shock tube are studied systematicly with methane concentration gradient. (3)The results from small scale and large scale shock tube are compared for further physical ubderstanding. The analogy are used to analyze the scale effect on such phenomena involving shock propagation, chemical reaction and turbulence. The purpose is to establish the experimental test rig and transient spectroscopy measurement sysytem. The gas explosion with concentration gradient and its interaction with blocks as well as scale effects are both experimentaly investigated in this project.

本项目主要研究含浓度梯度的瓦斯点火和爆炸传播现象。主要内容为：（1）瓦斯浓度梯度在线测量和含浓度梯度的瓦斯爆炸现象研究。在激波管用渗透膜片模拟瓦斯涌出和扩散，利用吸收光谱和高速纹影测量瓦斯浓度梯度分布。结合高速激光纹影和PLIF测量，研究实验管道内压力、火焰及其结构演化、冲击波生成和传播，并与浓度均匀分布工况进行比较。（2）含浓度梯度的瓦斯爆炸和障碍物相互作用现象研究。利用激光纹影、PLIF成像和OH、CH自发光谱等光学测量，研究冲击波和火焰与内置障碍物绕射、汇聚等相互作用现象。（3）含浓度梯度的瓦斯爆炸尺度效应。分别在大、小尺寸管道开展实验研究，比较不同尺寸管道的实验结果，探索尺度效应。主要目标包括：建立含浓度梯度瓦斯爆炸现象研究的实验装置和测量系统，研究含浓度梯度瓦斯爆炸及其和障碍物相互作用的新现象，探索含浓度梯度瓦斯爆炸现象的尺度效应。

在矿井实际条件下，瓦斯分布是非均衡的，存在浓度梯度，同时空气中温度、湿度等参数处于变化之中。这些现象的存在，影响瓦斯爆炸的点火与传播过程。表明矿井瓦斯爆炸机理在实际环境下是非常复杂的。开展这一研究非常必要，对于预防矿井瓦斯爆炸事故、掌握瓦斯爆炸事故发生的真实原因，提高事故调查水平以及瓦斯爆炸事故的应急救援都具有重要意义。本项目以实验研究为主要手段，以200×200mm×40m中尺度激波管为主要研究平台，构建了试验模型。以电火源为主要电火源，试验研究了在不同浓度、不同火源强度下矿井瓦斯点火特征，研究了瓦斯浓度、火源强度对点火引爆的耦合作用。利用TDLAS技术，研究了自然状态下，瓦斯浓度扩散及其分布特征。仿照井下条件，构建了采煤工作面和一般巷道两类实验环境，设置障碍物，在不同浓度作用下，采用压力、火焰传感器测试压力、高速相机光学视窗捕捉方法，研究了不同浓度下瓦斯爆燃流场演化机制。同时采用FLACS软件进行了数值模拟，证明了模拟结果可靠性。建立了瓦斯爆炸流场结构演化的光学测试技术。本课题对复杂条件下矿井瓦斯爆炸事故调查、瓦斯事故预防具有重要指导意义。