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本文基于粉尘爆炸理论,采用试验研究和理论分析相结合的方法,针对煤尘爆炸特性及煤尘爆炸火焰波和冲击波在直线管道、拐弯管道的传播规律及其耦合关系进行了研究,其成果对于掌握煤尘爆炸火焰波的传播规律以及预防、控制煤尘爆炸事故,进行煤尘爆炸事故调查和应急救援提供理论与技术支持。 基于前人的研究成果,分析了煤尘爆炸着火过程的三个步骤,指出其燃烧机制是一个复杂的受物理化学因素影响的多相燃烧过程,煤尘爆炸火焰波的加速主要受四种加速机理影响,而传播则受自身物理、化学性质以及火焰燃烧条件,传播管道拐弯、分叉、壁面粗糙度和点火能量、方式等多种因素影响。 基于20L球形爆炸实验系统,试验研究了煤尘粒径、煤尘浓度和环境氧气浓度变化对试验煤样最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率爆炸特性的影响。试验研究表明:最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随粒径由150目、200目、300目,不断减小而增大;在不同煤尘浓度条件下,随着环境氧气含量的增加,煤尘最大爆炸压力总体上均有增加的趋势,但在煤尘浓度较高时最大爆炸压力的增加比煤尘浓度较低时明显。 设计制作了煤尘爆炸火焰试验系统,试验并采集了火焰波、冲击波超压有关的大量数据,研究发现:直线管道内煤尘爆炸火焰属于湍流传播火焰,火焰传播速度愈快,其火焰持续时间愈短。最大火焰速度与冲击波最大超压分布位置一致,增加和减小的趋势也一致。拐弯管道内火焰波速度突变系数λ1受管道拐弯前火焰波初始速度的影响并不大,主要与管道拐弯角度关系密切;火焰持续时间突变系数λ2随管道拐弯角度的增加整体有不断变小的趋势,而与拐弯前测点火焰持续时间的大小关系不大;管道拐弯对煤尘爆炸压力波的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用,在火焰区随着拐弯角度变大,冲击波超压突变系数λ3和拐弯后的冲击波超压都不断变大,而随着拐弯前初始超压的变大,冲击波超压突变系数λ3不断减小,但主体部分λ3>1,在1.0~2.0之间变化,冲击波超压本身是增加的。 建立了简化的球形容器煤尘爆炸模型和一端开口管道煤尘爆炸火焰传播模型,推导了相应的压力上升速率公式和火焰传播速度公式。讨论了火焰波与冲击波的相互作用对衰减变化的影响和管道拐弯处反射波对火焰的作用及影响。利用统计分析软件SPSS拟合了火焰波速度突变系数λ1、持续时间突变系数λ2和冲击波超压突变系数λ3。