摘 要

煤炭依然是中国的主要能源，长时间内占有主导地位。而瓦斯爆炸是煤炭开采中的重大恶性事故，严重威胁人民的生命财产安全，研究反射压力波与火焰传播之间的关系，对于瓦斯爆炸事故的防治，相关防爆设备的研发具有重要意义。

本文将分别在对无障碍物条件下与不同条件障下，利用FLUENT 15.0对密闭直管段的甲烷-空气预混爆炸进行仿真模拟。采用预混燃烧过程，分析火焰传播速率、压力波动等重要参数的时域及频域特性，分析反射压力波动态特性和火焰传播速率的耦合关系。

结果表明，火焰在障碍物处的传播特性主要取决于障碍物的形状，而压力脉动影响较小；障碍物的存在可以在一定程度上加速火焰的局部传播速度。就整个管道而言，火焰传播播速度主要取决于管道内的压力脉动；具有弧形表面的障碍物对压力波反射不明显，因而对管道内的火焰传播速度影响较小；平面型的障碍物对压力波反射强烈，且表面越平行于压力波，反射越强烈；障碍物对压力波的反射造成火焰正向传播速度减小，且脉动频率增大，因而需要更长的时间在通道内传播。

关键词：预混燃烧；反射压力波；数值模拟；动态特性

Abstract

Coal is still main energy source of China and it has dominated for a long time. Gas explosion is a major malignant accident in coal mining, which seriously threatens the safety of people's lives and property. Studying the relationship between reflected pressure waves and flame propagation is of great significance for the prevention and control of gas explosion accidents and the development of related explosion-proof facilities and equipment.

In this paper, we will use FLUENT 15.0 to simulate the methane-air premixed explosion of the closed straight pipe section under the conditions of obstacles, different obstacles and different lengths of pipe sections. The obtained data was post-processed with Origin to analyze the time and frequency domain characteristics of the flame propagation rate, pressure fluctuation and other important parameters, and the coupling relationship between the dynamic characteristics of the reflected pressure wave and the flame propagation rate.

Experimental studies have found that the flame propagation characteristics at the obstacle mainly depend on the shape of the obstacle, and the pressure pulsation has little effect; the presence of the obstacle can accelerate the local propagation speed of the flame to a certain extent. As far as the entire pipeline is concerned, the flame propagation speed mainly depends on the pressure pulsation in the pipeline; the obstacle with an arc surface does not reflect the pressure wave significantly, so it has little effect on the flame propagation speed in the pipeline; the planar obstacle The reflection of the pressure wave is strong, and the more parallel the surface is to the pressure wave, the stronger the reflection; the reflection of the pressure wave by the obstacle causes the flame forward propagation velocity to decrease and the pulsation frequency to increase, so it takes longer to propagate in the channel .

Keywords: Premixed combustion; reflected pressure wave; numerical simulation; dynamic characteristics

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 瓦斯爆炸理论分析 2

1.2.2 实验研究 2

1.2.3 数值模拟研究 3

1.3 本课题主要研究内容 4

第2章 瓦斯爆炸特性的理论分析 5

2.1 瓦斯的反应机理 5

2.1.1 瓦斯爆炸方程式 5

2.1.2 瓦斯爆炸的条件 5

2.2 瓦斯爆炸反应机理分析 6

2.3 瓦斯爆炸冲击波的结构与传播特性 7

2.3.1 火焰的传播 7

2.3.2 火焰与冲击波的相互作用 7

2.3.3 空气冲击波的传播 7

2.4 本章小结 7

第3章 数值模拟理论基础 9

3.1 流体力学基本方程 9

3.2 湍流模型 10

3.3 选择RNGk-ε模型 10

3.4 近壁面处的处理方法 11

3.5 本章小结 12

第4章 数值模型与适用性分析 13

4.1 几何模型 13

4.2 网格划分 13

4.3 化学反应模型 14

4.4 边界条件 15

4.5 初始条件 15

4.6 求解器设置 15

4.7 本章小结 15

第5章 数值计算结果及分析 16

5.1 不同障碍物条件下的反射压力波特性 16

5.2 障碍物处的火焰传播特性 18

5.3 反射压力波对火焰传播速度的影响 21

5.4 不同障碍物条件下的反射压力波特性 22

5.5 本章小结 25

第6章 结论与展望 26

参考文献 27

致 谢 29

绪论

研究背景及意义

煤炭是中国的主要能源，其在能源结构中比重会逐渐降低，但在未来较长时间内，依然占据重要地位。煤炭开采加工产业与国民经济与能源安全息息相关。

瓦斯爆炸是煤矿开采中的重大恶性事故之一，其破坏力巨大，对煤矿生产安全造成巨大威胁。预防与控制瓦斯爆炸事故的发生是安全生产工作中的重要课题。瓦斯爆炸初始阶段，火焰传播速度小于前驱压力波传播速度，当前驱压力波碰到固体壁面后会造成反射。反射压力波和火焰阵面相互作用，会造成火焰传播速度波动，甚至反向传播。部分实验研究表明，通道内的障碍物也会造成反射压力波强度改变，对火焰传播速度影响很大，这可能造成瓦斯爆炸抑制设备启动时间误差，降低抑爆成功率。考虑到实际煤矿巷道的各种设施，研究布置不同障碍物的密闭管道中反射压力波的动态特性，及反射压力波与火焰阵面间的相互作用，对于瓦斯爆炸事故的防治，相关防爆隔爆设施的开发研制都具有重要意义。

虽然专家学者大量研究了密闭空间以及障碍物与反射波对瓦斯爆炸火焰传播规律的影响，但多是通过模拟实验与高速摄影技术进行记录分析，对不同障碍物条件下的反射压力波特性对火焰传播的影响的展示效果不佳；关于反射压力波对密闭管道内预混气体火焰传播速度影响的研究中，多是在无障碍物条件下进行的，未将障碍物与反射压力波的作用综合起来研究分析。