電磁場對瓦斯爆炸影響的實驗研究與理論分析

張　輝,菅從光,李　靜,樂　俊,高建康

(中國礦業大學機電學院,江蘇徐州221008)

摘　要:在實驗的基礎上,研究了外加電磁場對瓦斯爆炸過程中火焰傳播速度和超壓的影響。研究結果表明:外加電磁場使瓦斯爆炸強度增加,使火焰速度、火焰速度峰值、壓力波超壓峰值增大,隨著電磁場強度增加,其對瓦斯爆炸加劇作用增強。並從理論上03manbetx 了外加電磁場對瓦斯爆炸的影響。

關鍵詞:電磁場;瓦斯爆炸;火焰傳播速度;超壓

中圖分類號:TD712+.7　　　文獻標識碼:A　　　文章編號:1003-496X(2006) 05-0001-04

Experimental Study and Theory Analysis on Influence of Electromagnetic Field on Gas Explosion

ZHANG Hui,JIAN Cong-guang,LI Jing,LE Jun, GAO Jian-kang(College of Mechanical and Electrical Engineering,CUMT, Xuzhou221008, China)Abstract:On the basis of experiment, the influence of impressed electromagnetic field on fire transmission speed and overpressure ingas explosion was investigated. The research result shows that the influence of impressed electromagnetic field strengthen the gas ex-plosion, and make the flame propagation speed, the flame propagation speed peak value and the overpressure peak value enlarged;with the increase of electromagnetic field intensity, the effects on aggravating the gas explosion raise. And the influence of impressedelectromagnetic field on gas explosion was analyzed.Key words:electromagnetic field;gas explosion;flame propagation speed;overpressure

　　礦井瓦斯爆炸是煤礦重大惡性02manbetx.com 之一,尤其是近幾年,隨著礦井生產機械化水平的提高,不少大型礦區相繼進入深層開采,瓦斯湧出量急劇增加,瓦斯爆炸02manbetx.com 頻頻發生。因此控製瓦斯爆炸是一個亟待解決的問題。雖然對瓦斯爆炸理論研究曆史已久,前人已經在理論、實驗、防爆隔爆等許多方麵進行了卓有成效的工作,取得了很大進展,但由於瓦斯爆炸的複雜性、快速性、危險性以及實驗條件等限製,目前在瓦斯爆炸理論中還有許多問題沒有得到妥善的解決。例如電磁場對爆炸、火焰的影響的研究內容就少見報道。為了弄清電磁場對瓦斯爆炸的影響程度,本文通過大量的實驗,結合理論03manbetx ,研究了電磁場效應對瓦斯爆炸過程中超壓波、火焰波傳播的現象和規律的影響,以期對礦井瓦斯爆炸的理論研究有所裨益,對礦井瓦斯爆炸的防治有所幫助。

1　實驗係統

本實驗中所用的實驗係統“瓦斯爆炸實驗係統”結構如圖1所示,該係統主要由以下幾個部分組成:

圖1　瓦斯爆炸實驗係統示意圖

爆炸實驗管道、電磁場係統、動態數據采集03manbetx 係統、火焰速度測量係統、壓力測量係統及爆炸點火裝置等。

1.1　爆炸實驗管道係統

由於鋼板對電磁場有屏蔽作用,實驗中的爆炸管道是由 3.5 m 長16Mn鋼焊製管道和 0.5 m 長有機玻璃管組合而成,其內徑為 80 mm × 80 mm ,在有機玻璃管上加電磁場研究其對瓦斯爆炸的影響。

1.2　電磁場係統

實驗中均勻電場是在兩塊 500 mm × 200 mm 的銅板上加電壓而產生的,高壓電源是通過變壓器、倍壓整流電路,得到高壓直流電,兩極板間距為 80mm ,電壓調節範圍是:0~45 kV,高壓電可連續調節。穩恒磁場是由恒定直流電通過玻璃管上的線圈產生的,線圈是 0.5 mm 漆包銅芯線,繞製4 000匝,為了得到更好的絕緣效果,每繞一層就塗上一層絕緣漆。

1.3　動態數據采集係統

實驗中選用了TST3000動態數據采集係統。該係統具有16個通道(采樣率20%,采樣精度10

bit,采樣長度 1 m ),能滿足微秒級數據采集速度的要求,具有自動采集、存儲、數據處理、顯示及打印輸出的功能,能同時將8個通道的測試結果顯示在屏幕上。且具有將曲線壓縮、拉伸、放大及縮小的功能。

1.4　火焰速度測量係統

該係統采用光敏三極管作為傳感器,將光信號轉換為電信號,調製後放大輸出。在火焰傳播通道上布置了多個光電傳感器,保證了實驗數據的有效性,其采集速度可達微秒級。

1.5　壓力測量係統

該係統采用YD205型石英傳感器,每一傳感器均用獨立的YE5852型電荷放大器配合,該傳感器具有很高的頻響,采集數據的速度可達微秒級。

1.6　爆炸點火裝置

該裝置采用簡易操作型的電容儲能高壓電火花點火裝置,其輸出功率為20~100 J。利用管道抽真空後形成的負壓將配好一定濃度(CH4濃度9.5%)的瓦斯空氣混合氣體送入管道。調試TST3000動態數據采集係統,根據實驗需要設定采樣率、采集長度、觸發電平、觸發通道等參數,並使之處於“等待采集”狀態。啟動高能點火裝置,引爆管道內混合氣體,計算機自動采集瓦斯爆炸過程中的各個參數。

2　實驗結果及03manbetx

2.1　外加電磁場對瓦斯爆炸的影響在瓦斯爆炸過程中,火焰傳播速度、爆炸波是表征瓦斯爆炸特征的2個最主要的指標。本實驗對管道兩端閉口和一端開口一端閉口兩種情況進行分類

研究,以得出不同實驗條件下,電磁場對瓦斯爆炸的影響規律。

2.1.1　 外加電磁場對瓦斯爆炸火焰傳播的影響外加電磁場,對瓦斯爆炸過程中每一個測點的

實驗結果取算術平均值整理成表1,將各工況測點的火焰傳播速度繪製成曲線,如圖2,圖3所示。

圖2　外加電磁場開口火焰傳播速度曲線

圖3　外加電磁場閉口火焰傳播速度曲線

　　由表1和圖2,圖3可以看出,外加電磁場對瓦斯爆炸過程中的火焰傳播速度有明顯的影響。終端開口時,在第一個測點L/D=8處,外加電磁場的火焰傳播速度比光管中的火焰傳播速度提高了1.9~3.9倍;終端閉口時,在第一個測點L/D=8處,外加電磁場的火焰傳播速度比光管中的火焰傳播速度提高了2.5~6.8倍。從火焰傳播速度峰值分析,終端開口時,隨著火焰傳播速度過程的進行,峰值不斷增大;終端閉口工況下,火焰傳播速度峰值均發生在測點L/D=22處。綜上所述,無論是終端開口還是閉口,外加電磁場對瓦斯爆炸火焰傳播速度都起到加速的作用,外加電磁場強度越強,其對瓦斯爆炸火焰傳播速度的影響愈大。

2.1.2　 外加電磁場對瓦斯爆炸壓力波傳播影響表2為各測點瓦斯爆炸過程中的爆炸波壓力值,並將其繪製成曲線,如圖4,圖5所示。由表2,圖4,圖5可以看出,無論終端開口還是閉口,外加電磁場對瓦斯爆炸壓力波的傳播都起到加劇作用。

而且電磁場強度越強,對瓦斯爆炸壓力波的影響程度也愈強。

圖4　外加電磁場開口壓力波超壓變化關係曲線

3　外加電磁場對瓦斯爆炸影響的理論分析瓦斯爆炸過程是一種劇烈而迅速的鏈式反應過程,鏈式反應中存在CH3、OH等活化中心,甲烷燃燒速度取決於活化中心的出現和活性,反應中的反應物及活化中心濃度是影響甲烷鏈式爆炸反應的主要因素。

帶電粒子在電磁場中受到電場力和磁場力的雙重作用,粒子運動是在電場中和磁場中的合成運動。

圖5　外加電磁場閉口壓力波超壓變化關係曲線

當帶電粒子垂直進入電磁場時,帶電粒子保持勻速直線運動;帶電粒子以任意角度進入電磁場時,帶電粒子的軌道是擺線。由於粒子軌跡的改變,提高了粒子之間的碰撞機率。這不但增加了火焰的湍流度,而且與甲烷分子的碰撞會產生更多的CH3、OH等活化中心,使瓦斯爆炸時的活化中心和活化濃度得到提高,從而提高瓦斯爆炸強度和爆炸溫度,這種正反饋機理增強了瓦斯爆炸強度,且電磁場強度越強,這種作用越劇烈,對瓦斯爆炸的影響也越大。在電磁場中磁場和電場同時作用於瓦斯氣體,外加磁場會影響自由基OH的擴散速度,改變它的濃度,自由基OH會和甲烷發生反應:OH+CH4→H2O+CH3而高壓直流電場可以使甲烷發生電離和裂解:

CH4離解CH3生成的自由基CH3與氧氣分子發生化學反應:CH3+O2→H2CO+OH

由以上這3個方程之間的互相影響和製約作用可以得出,電磁場效應不是磁場效應和電場效應簡單的疊加關係。

4　結　論

通過實驗的方法重點研究了外加電磁場對瓦斯爆炸的影響,得到如下主要結論:

(1)管內瓦斯爆炸,外加電磁場使瓦斯爆炸強度增加,使火焰傳播速度、火焰速度峰值、壓力波超壓峰值增大。

(2)外加電磁場對瓦斯爆炸有加劇的作用,並且隨著電磁場強度的增加,其對瓦斯爆炸加劇作用增強。