高瓦斯矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律的数值模拟研究

瓦斯爆炸论文 数值模拟论文 巷道论文
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煤矿巷道内发生的瓦斯爆炸属于典型的气体爆炸事故,是煤炭生产中最严重的灾害。本文在理论分析和借鉴前人研究成果的基础上,采用Fluent流体力学软件对巷道瓦斯爆炸进行数值模拟。基于现有的研究成果,建立模拟瓦斯爆炸巷道的物理和数学模型,给出数值模拟的初始条件。采用有限速率/涡耗散模型来描述瓦斯爆炸过程,使用SIMPLEC算法处理爆炸过程中压力和速度的关系,并且使用不平衡函数法处理了壁面附近的流场,提高数值模拟的精度。论文通过对巷道密闭与敞口条件下的瓦斯爆炸过程进行模拟,结果表明密闭情况下巷道的温度和超压值明显高于敞口条件;对巷道内不同浓度瓦斯爆炸的传播过程进行模拟,分析了不同浓度下瓦斯爆炸传播的特性,结果表明当瓦斯与空气刚好完全燃烧时,爆炸程度最为剧烈;结合煤矿井下环境,对巷道截面变窄、分岔等情况下的瓦斯爆炸过程进行数值模拟,得出巷道变窄处的温度和冲击波压力值大幅上升,分岔处火焰传播受到障碍物式的诱导形成湍流,加速火焰燃烧,导致温度显著上升。研究结果表明,在封闭巷道内的瓦斯爆炸程度比敞口巷道明显强烈;同一巷道内在瓦斯浓度不同但填充长度一定的情况下,瓦斯爆炸火焰传播的距离是瓦斯集聚长度的3~6倍,爆炸范围远大于瓦斯集聚范围;瓦斯爆炸过程中由于巷道截面突变形成三波点,超压显著增大,加剧爆炸程度;瓦斯爆炸的火焰阵面传播到巷道分岔处燃烧速率增大,温度大幅上升,导致分岔处瓦斯爆炸破坏程度比其它位置严重。研究结果对煤矿的安全生产和瓦斯爆炸事故的预防、调查有一定的参考价值。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
1 绪论第9-21页
    1.1 选题背景和研究意义第9-10页
    1.2 国内外研究现状第10-19页
        1.2.1 瓦斯爆炸机理研究第11-12页
        1.2.2 瓦斯爆炸冲击波传播的实验研究第12-14页
        1.2.3 瓦斯爆炸传播的数值模拟第14-18页
        1.2.4 存在的问题第18-19页
    1.3 课题研究的主要内容和技术路线第19-21页
        1.3.1 研究目的第19页
        1.3.2 研究内容第19-20页
        1.3.3 研究方法和技术路线第20-21页
2 瓦斯爆炸传播理论分析第21-27页
    2.1 瓦斯爆炸化学反应机理第21-23页
        2.1.1 瓦斯爆炸的条件第21-22页
        2.1.2 瓦斯爆炸反应的机理第22-23页
    2.2 瓦斯爆炸火焰及冲击波传播特性分析第23-27页
        2.2.1 瓦斯爆炸传播特性理论分析第23-25页
        2.2.2 火焰波与冲击波的相互作用第25-27页
3 瓦斯爆炸的数值模拟研究第27-37页
    3.1 引言第27页
    3.2 物理模型第27-28页
    3.3 数学模型第28-35页
        3.3.1 基本假设第28-29页
        3.3.2 均相湍流燃烧的时均方程第29-30页
        3.3.3 湍流模型第30-32页
        3.3.4 化学反应模型第32-33页
        3.3.5 燃烧模型第33-34页
        3.3.6 壁面函数第34-35页
    3.4 计算方法第35-36页
    3.5 本章小结第36-37页
4 巷道内瓦斯爆炸模拟分析第37-50页
    4.1 网格划分及初始条件设置第37-39页
        4.1.1 边界及流场初始条件第37页
        4.1.2 点火的初始条件第37-38页
        4.1.3 网格划分第38-39页
    4.2 闭口与敞口的直巷道内瓦斯的爆炸模拟第39-49页
        4.2.1 闭口巷道充满瓦斯气体的爆炸模拟第39-42页
        4.2.2 敞口巷道充满瓦斯气体的爆炸模拟第42-44页
        4.2.3 敞口巷道局部充满不同浓度瓦斯爆炸的模拟第44-49页
    4.3 本章小结第49-50页
5 煤矿回采巷道条件对瓦斯爆炸传播的影响第50-59页
    5.1 巷道截面变窄对瓦斯爆炸影响的模拟分析第50-54页
        5.1.1 初始条件设置第50-51页
        5.1.2 模拟试验及结果分析第51-54页
            5.1.2.1 巷道截面不变时瓦斯爆炸的模拟第51-52页
            5.1.2.2 巷道截面变窄时瓦斯爆炸的模拟第52-53页
            5.1.2.3 巷道截面变窄的大小不同对瓦斯爆炸的影响第53-54页
    5.2 巷道分岔对瓦斯爆炸影响的模拟分析第54-58页
    5.3 本章小结第58-59页
6 结论第59-61页
参考文献第61-65页
攻读硕士学位期间发表的论文第65-66页
致谢第66-67页
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