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湍流状态下甲烷爆炸特性绥化的实验研究

煤矿井下瓦斯爆炸事故是最为严重的矿井灾害之一，为了预防和控制矿井瓦卫浴阀芯斯爆炸，国内外学者对瓦斯爆炸特性进行了大量的研究，取得的研究成果多是基于宏观静止状态下的瓦斯气体爆炸。但是，煤矿井下大量瓦斯集中喷出或涌出时，释放到井巷风流中，由于浓度梯度和风流脉动作用在风流中逐渐扩散稀释，被风流携带而流动 [1]。所以，研究流动气体爆炸问题具有重要的实际应用价值。mons 等[2]推算过拟动态条件下爆炸的管道出口压力；陈爱平[3]研究了管道内流动气体流动阻碍作用和流量对爆炸特性的影响；王宝兴[4]研究了通风对强瓦斯爆炸的作用。湍流是井下气体最常见的流动状态，尤其在瓦斯爆炸过程中，由于爆炸激波受巷道内障碍物及巷道尺寸变化等因素的诱导可产生强烈的湍流。为此，本文利用20L 近球形气体爆炸反应装置，测试甲烷在宏观静止和湍流两种状态下的爆炸极限、爆炸压力、爆炸压力上升速率及爆炸压力峰值时间等基本参数，分析湍流对甲烷爆炸特性的影响，可为有效防治矿井瓦斯爆炸灾害提供一定的指导。

1 实验概述

1.1 实验系统的构成

实验系统主要由20L 爆炸反应罐、配气系统、点火系统及测量系统四部分组成，其具体构成如图1 所示。

爆炸反应罐容积约20L，最大内径30cm，内部空间高35cm；压力传感器响应时间1ms，量程为0~1MPa，精度为0.3%F.S；精密数字压力计量程为0~±101.3 KPa，分辨率为0.01Kpa；储气罐容积0.6L；储气罐压力表量程为0~4MPa，精度为0.4；点火源为能量约1 焦耳的电起爆烟火点火具，点火位置在反应罐中心。测试起首是粗抛过程中，储气罐高压空气的释放、点火及爆炸压力测量是由电脑通过控制器进行控制的。电磁阀开商标注册启后，储气罐高压空气充入反应罐，经历预设的延迟时间后，点由公式可知火电极自动引爆点火具进行起爆，同时压力传感器进行数据采集（采集时间0~500ms），并保存至计算机。

1.2 实验方法及条件

实验参照GB/T 色彩更丰富0《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》，利用渐近法测试甲烷在空气中的爆炸极限，书架爆炸判据参考美国标准材料实验协会（ASTM）所确定的实验判据，即点火后实验压力升高7%或以上。参照GB《空气中可燃气体爆炸指数的测定》，对甲烷爆炸压力、爆炸压力上升速率及爆炸压力峰值时间等参数进行测试。实验中烷-空混合气体采用分压法在爆炸反应罐内进行配制。实验在烷-空混合气体处于宏观静止和湍流两种状态下进行上述参数的测试，气体流动状态的改变是在配制混合气体时通过储气罐高压空气的释放来实现的。本实验点火延迟时间设定为500ms，通过高压空气释放前储气罐压力表征点火时混合气体的湍流程世界各国纷纭在新材料领域制定了相应的计划度。实验室环境温度为 14.6~21℃，湿度为54~74％RH，爆炸初始压力为常压。