瓦斯爆炸过程中火焰与爆炸波传播规律

煤矿瓦斯爆炸事故从工业革命开始即一直时有发生， 大多数工业化国家都
对煤矿瓦斯爆炸进行过试验研究， 尤其是对可燃碳氢气体与氧气及空气混合后
的引燃和传播方面， 以及工业粉尘 （包括煤尘） 爆炸特性方面均有不少的研究。
例如， 美国国家职业与健康研究所匹斯堡研究中心 （ ＮＩＯＳＨ ）、 澳大利亚的 Ｌｏｎ
ｄｏｎ Ｄａｒｅ 安全研究中心及欧洲的一些研究机构相继建立了可燃气体与粉尘爆炸试
验管道， 并进行了试验研究。 中科院力学所、 南京理工大学、 煤科总院抚顺分
院和重庆分院等也相应建立了气体、 粉尘爆炸试验管道和爆炸试验巷道， 通过
这些已经建立的试验巷道和管道的试验研究， 取得了一些成果， 在理论上也导
出了一系列计算其传播速度、 压力的公式， 并从化学和热力学的角度进行了分
析。 根据这些研究结果， 人们也提出了一些防治瓦斯爆炸的措施， 如岩粉棚、
水棚等。 但是， 这些防治瓦斯爆炸的措施在实际使用过程中有时起作用， 有时
并未起作用， 其原因就在于对瓦斯爆炸过程中火焰与爆炸波之间相互关系并不
清楚， 导致防治措施的响应时间未能准确掌握， 使防治措施未能起到应有的作
用。 针对这种情况， 本书拟对此进行研究， 以期对瓦斯爆炸机制研究有所裨益，
对矿井瓦斯爆炸的实际防治工作有所帮助。 本书主要从理论、 实验与数值模拟 ３
个方面对瓦斯爆炸过程中火焰与爆炸波的传播规律进行了研究。
本书主要研究成果如下。
① 利用 “ ２１１ 工程” 重点学科建设项目中专门设计加工的具有煤矿井下巷
道特点的瓦斯爆炸实验管网系统， 采用在爆炸试验管道中加入障碍物和膜片的
方法， 测定与分析了瓦斯爆炸过程中的有关动力学参数， 反映了瓦斯爆炸过程
中火焰与爆炸波的传播规律。
② 采用在爆炸试验管道中加入障碍物和膜片的方法， 其中， 障碍物用以模
拟井下的矿车、 堆积物或其他设备， 膜片用以模拟井下的风门或密闭墙， 从而
研究障碍物和膜片对火焰与爆炸波传播规律的重要影响， 研究瓦斯爆炸过程中
火焰与爆炸波之间的相互关系， 并探讨障碍物对火焰的加速机制。
③ 基于均相反应流时均方程组、
ｋε
湍流模型和 ＥＢＵＡｒｒｈｅｎｉｕｓ 燃烧模型建
立了均相燃烧流动的理论模型。 采用基于 ＳＩＭＰＬＥ 算法的大型通用程序 ＰＨＯＥ
ＮＩＣＳ 对管中瓦斯爆炸实验进行了数值模拟， 其数值模拟结果反映了火焰加速的
内在机制， 揭示了管内燃烧、 流动、 湍流之间的正反馈关系， 表现了障碍物对
爆炸过程中各主要参数的影响规律， 并与实验测得的相应结果基本吻合。