巷道内苯蒸气云爆炸的特性研究 开题报告 - 图文

尽管实验研究为分析气体爆炸所产生的破坏效应和威力提供了有用的信息，但实验研究耗资较大，时间周期长，安全性差，所得信息少，而且由于受测试手段的限制，无法测量爆炸场的内部细微过程，而这些都可以通过数值模拟在一定程度上得到弥补。随着计算流体力学和计算机技术的飞速发展，数值模拟方法越来越多地用来求解气体爆炸问题，从开始时模拟无反应无黏性流体的一维流动，发展到今天的一些能够详细模拟带化学反应的多维流动问题的高度复杂的数值模拟方法[12]。 国外的多家研究机构在气体爆炸的数值模拟方面进行了较深入的研究。芬兰核工业研究所在20世纪80年代就开展了三维的气体爆炸数值模拟，并用其实验加以验证，吻合很好。剑桥大学的Naamansen等使用非结构的McNEWT计算流体力学软件对Ibrahim等的实验进行了二维的数值模拟，得到了通过障碍物燃烧从层流转变为湍流的火焰速度压力特性，对爆炸超压的预测与Ibrahim和Masri的 实验测定吻合[13]。Taki(1978)和Masri( 1986)等人采用二步化学反应模型，粗略计算了爆轰横波结构。Schoffel(1988)和Lefebvre(1991)等人成功地模拟了完整的爆轰胞格结构。Lefebvre(1993)等人采用反映真实化学反应的基元反应模型，精确地计算了马赫结构和胞格的形成过程。澳大利亚A.R.格林和R.W.尤普福尔德建立了基于燃烧学的瓦斯和煤尘爆炸传播过程的理论框架及计算机数值计算模型[14]。Cortese等人以柱状空间中瓦斯爆炸为研究对象，对瓦斯爆炸状态转换过程进行了数值模拟，但由于其研究的几何环境与矿井巷道差别很大，不能用来解释矿井瓦斯爆炸、传播过程的变化特征。 国内对可燃性气体爆炸的数值模拟研究也取得了一些进展。北京大学计算数学教研室对地面上一团均匀的半球形高温高压气体产生的激波与气流进行了数值模拟，但没有考虑非理想爆源的有限能量释放速率，认为爆源的能量是瞬时释放的；宁建国教授所领导的课题组采用基于人为燃烧函数法的多流体网格程序对管道内和球形容器内的煤气爆炸进行了二维数值模拟，并对这一过程开创性地进行了可视化研究；彭金华等人用TVD格式对贴地的二维轴对称气云爆炸场进行了数值模拟，但爆源的能量被认为是瞬时释放的；丁云等人采用能量加入的双流体模型并简化成一维球对称问题，对非理想爆源产生的爆炸波和爆炸场进行了数值计算，得到了爆炸场参数的分布；徐胜利等人分别用能量波模型和均匀能量释放模型对无约束云雾产生的爆炸场进行了一维数值模拟，得到了爆炸场的控制参数，但研究中没有考虑复杂的燃烧反应和湍流的影响。刘君等人从非定常欧拉方程出发，构造新型的NEO差分格式对爆炸波与物体干扰的流场进行了二维和三维

的数值模拟，结果与实验吻合较好；姚海霞等人采用双方程模型和改进的EBU燃烧模型对障碍物诱导的湍流与燃烧耦合作用下的流场进行了模拟，揭示了障碍物、湍流及火焰之间相互加速的正反馈机理，其三维模拟的结果与实验数据吻合较好；张德良、高泰萌、魏德福、胡湘渝等人分别采用不同的方法对DDT过程进行了数值模拟计算；陈林顺运用AutoReagas软件对煤矿井下独头巷道中的瓦斯爆炸以及室内煤气泄露后的爆炸进行了数值模拟。居江宁等人不考虑气体黏性，假设冲击波波阵面为平面，对独头巷道掘进工作面瓦斯爆炸的二次冲击过程进行了数值模拟，由于忽略黏性对冲击波传播过程中的阻力损失，不能准确定义，这种模拟结果，只能作为定性分析的基本依据[15]。林柏泉对瓦斯爆炸传播路线上障碍物前后冲击波变化进行数值模拟，考虑气体黏性，但是其采用的数学模型是常压下火焰传播过程的数学模型，其采用的计算程序是基于描述火灾传播过程的计算程序，因此对于障碍物存在的条件下，冲击波波阵面前后的强间断情况无法处理，模拟结果存在较大的失真。 综上所述，数值模拟方法综合考虑了点火能量、燃料种类和含量、障碍物及泄放实际情况等在预测气体爆炸时非常重要的影响因素，而这也正是前述的其他理论方法的不足之处。但数值模拟也有一定的局限性，首先是数学模型的准确性，这不是所有问题都能解决的，有不少问题的机理尚未完全清楚，很难有准确的数学模型。其次，数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析，这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程则不是十分有效。最后，数值模拟还受到计算机本身条件的限制，即计算机运行速度和容量的限制。 对于本课题的研究将主要从理论和数值模拟两方面着手，要解决的关键问题有两点：第一，巷道的结构特点和容易引发燃烧爆炸的环境因素；第二，苯在巷道内形成苯蒸气，并发生云爆炸所需的条件。本次课题研究将在掌握先前以及最新研究理论的基础上，再运用AutoReaGas软件共同制定巷道内苯蒸气云爆炸的具体研究方案。

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毕 业 论 文 开 题 报 告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2.1本课题要解决的问题 该论题要解决的问题主要在以下几个方面： 1) 苯的物理特性，苯蒸气形成并发生云爆炸的机理。 (1) 巷道内，易发生苯泄漏的工作环节，并能形成苯蒸气的环境因素。 (2) 找出可以导致苯蒸气被点燃或引爆的点火源等危险因素。 (3) 苯蒸气云爆炸的破坏特性，及其发生可能导致的严重后果，如人员伤亡、巷道坍塌、连锁爆炸反应等。 2) 根据苯蒸气云爆炸的产生机理及其破坏特性，做出一系列防护、救援、减灾措施。 (1) 相应作业工人必须穿戴特制的防护装备，对不安全的工序做出合理调整，在必要的工段打出醒目提示标语。 (2) 严格、合理地控制巷道内发火源的带入和使用；巷道内的通风安排要合理。 (3) 巷道的构造类型、道路的选择要合理设定。 (4) 制定快速、有效的应急救援方案，并随时备好应急救援装置、设施。 2.2 拟采用的研究手段 1) 搜集国内外相关阅读资料，初步了解本论题的最新研究状况，形成文献综述和开题报告。 2) 进一步搜集阅读资料并研读文本，做好相关的记录，形成论题提纲。 3) 深入研究，运用掌握的理论知识和模拟实验法、比较法等研究方法验证自己的设想和理论，并据此完成本论文。