Влияние начальной концентрации газа на метан

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13519 (2023) Цитировать эту статью

255 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Взрывы газа, особенно взрывы метановоздушных смесей, представляют значительную опасность в замкнутых пространствах, например, в угольных шахтах. Понимание характеристик взрыва и их корреляции с исходными концентрациями газа имеет жизненно важное значение для разработки эффективных мер безопасности. В данном исследовании изучается влияние начальной концентрации газа на температуру взрыва, избыточное давление и развитие пламени при взрывах предварительно смешанных газов с метаном и воздухом с использованием специально изготовленной 20-литровой сферической экспериментальной установки для взрыва. Температуры взрыва имеют колебательный характер, достигая максимальных значений при начальной концентрации газа 6,5%, 9,5% и 12% с соответствующими температурами 995 К, 932 К и 1153 К. Максимальное избыточное давление имеет начальную тенденцию роста и падения: моделируется экспоненциальной функцией. Примечательно, что вблизи концентрации 9,5% волна давления способствует обратному распространению волны пламени, что приводит к вторичному повышению температуры. Датчики пламени использовались для исследования наличия, отсутствия и продолжительности пламени, продемонстрировав, что повышенные начальные концентрации газа приводят к увеличению продолжительности пламени и увеличению вреда. При начальной концентрации газа 9,5% при взрыве мгновенно возникает устойчивое пламя. Кроме того, в исследовании анализируется взаимодействие между температурой и избыточным давлением, подчеркивая важность смягчения последствий высокотемпературных ожогов возле стен туннелей и закрытых помещений. Эти результаты способствуют пониманию динамики газовых взрывов и имеют существенное значение для мер безопасности на угольных шахтах.

Взрывы метана представляют собой серьезную опасность на угольных шахтах, приводя к серьезным последствиям, включая экономические потери для угольных предприятий, человеческие жертвы, экологический ущерб и серьезно препятствуя производству угольной промышленности1,2. Взрывы газа мгновенно выделяют огромное количество энергии, что приводит к образованию высокотемпературной среды. В подземных угольных шахтах взрывы обычно происходят в выработочных туннелях и забоях, где факторы окружающей среды препятствуют легкому рассеиванию энергии взрыва, вызывая устойчиво высокие температуры в туннелях и создавая значительный риск для персонала и оборудования3,4,5,6,7. Начальная концентрация метана влияет на пиковую температуру и продолжительность взрыва. Исследование влияния различных начальных концентраций метана на температурные характеристики во время процесса взрыва может помочь обеспечить важную теоретическую основу для понимания температурных характеристик взрывов метана в угольных шахтах, тем самым предотвращая риски, связанные со взрывами газа8,9,10,11.

В 1967 году Олсен12 посредством теоретических исследований впервые получил выражение для температуры взрыва. Ученые во всем мире теперь используют программное обеспечение для численного моделирования, такое как FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 и CHEMKIN19, для изучения температур взрыва метана или создания конкретных уравнений математической физики для изучения правил изменения температуры при фиксированном объеме или условиях распространения по трубопроводу20. Некоторые исследователи также смоделировали правила изменения температуры при взрывах метана в замкнутых пространствах, заложив основу для исследований температуры взрыва метана21. Однако большинство моделирования проводится в изотермических или адиабатических условиях, что приводит к расхождениям с фактическими экспериментальными данными и препятствует точному моделированию изменений температуры во время реальных взрывов метана.

В экспериментальных условиях Ван и He22 использовали сигналы напряжения для представления температуры, раскрывая тенденцию изменения температуры при взрывах метана по мере его распространения по трубопроводам. Последующие исследователи изучили изменения температуры в разных местах во время распространения трубопровода и обнаружили, что температура пламени в верхней части трубопровода выше, чем в нижней части23,24. Cui и др.25 использовали микротермопары R-типа для изучения изменений температуры при небольших взрывах метана в трубопроводах. Ли и др.26 использовали термопары C2-7-K и C2-1-K для исследования изменений температуры во время распространения взрыва, при этом самая высокая зарегистрированная температура достигла 1292,27 К. Лю и др.27 проанализировали взаимосвязь между распространением пламени и температурой во время трубопровода. взрывы, обнаружив, что повышение температуры способствует распространению пламени. Ни и др.28 использовали метод двумерного излучения температурного поля для изучения изменений температуры вокруг пламени взрыва, обнаружив, что температура на фронте пламени сначала резко возрастает, затем замедляется и, наконец, снижается после достижения своего пика.