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基于激波诱导瓦斯爆炸的19步化学反应模型,建立了三维非定常守恒方程,采用迎风的TVD格式对方程进行数值离散,数值模拟了氢氧燃烧驱动点燃甲烷和空气混合气体的爆炸过程,根据爆炸产物以及流场中压力和温度变化的结果,说明了激波诱导瓦斯爆炸的物理机制,同时验证了程序在模拟化学反应起主导作用的瓦斯预混爆炸现象中的可靠性和精确性,为研究煤矿瓦斯爆炸过程的特性,制定有效的防爆、抑爆技术措施提供了技术和理论支持。
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第 27 卷 第 6 期
2005 年 6 月
武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol .27 No .6
Jun . 2005
激 波 诱 导 瓦 斯 气 体 爆 燃 的 三 维 数 值 模 拟
徐景德
1,2
,张莉聪
3
,杨庚宇
1
(1 .华北科技学院安全培训处,北京 101601;2 .中国科学技术大学机械与力学工程系,合肥 230026;
3 .中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083)
摘 要: 基于激波诱导瓦斯爆炸的 19 步化学反应模型,建立了三 维非定常守 恒方程,采用迎风的 TVD 格式 对方程 进
行数值离散,数值模拟了氢氧燃烧驱动点燃甲烷和空气混合气体的爆炸过程,根据爆炸产物以及流场中压力和温度 变化
的结果,说明了激波诱导瓦斯爆炸的物理机制,同时验证了程序在模拟化学反应起主导作用的瓦斯预混爆炸现象中 的可
靠性和精确性,为研究煤矿瓦斯爆炸过程的特性,制定有效的防爆、抑爆技术措施提供了技术和理论支持。
关键词: 瓦斯; 爆燃; 化学反应; 数值模拟
中图分类号: TD 712 文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2005)06-0022-04
Three Dimensional Numerical Simulation About Gas Explosion
Induced by Shock Wave
XU Jing-de
1 ,2
, ZHANG Li-cong
3
, Y ANG Geng-yu
1
(1 .Safety Training Department,North China Institute of Science & Technology, Beijing 101601, China;
2 .Department of Mechanics and Mechanical Engineering,University of Science & Technology of China,
Hefei 230026, China;3 .School of Resources & Safety Engineering, China University of Mine & Technology
(Beijing Campus), Beijing 100083, China)
Abstract: Base on the chemical reaction model of 19 equations about methane explosion induced by shock wave . In the pa-
per, the three dimensional unsteady conversation equations is built, using the format of upwind TVD, the numerical simulation
is made to the course of explosion for the mixed gas of methane and air ignited by HO burning driving .According to the results
to the species of explosion, and the related change of pressure and temperature in the flow fields, the physical mechanism of
methane explosion induced by shock wave can be illuminated, at the same time, the program can be used exactly to simulate the
pre-methane explosion phenomenon in which the chemical reaction is dominant . It’s helpful to search the character during the
course of methane explosion in coal mine, and provided the sustain of theory and technology for establishing the effective mea-
sure in preventing explosions and curbing ones .
Key words: methane; deflagration; chamical reaction; numerical simulation
收稿日期:2005-01-12 .
基金项目:国家“973”项目(200CB4002007).
作者简介:徐景德(1965-),男,副教授 .E-mail:xujd1450 @ ncist .edu .cn
瓦斯爆炸是威胁煤矿安全生产的重要隐患。矿井瓦斯爆炸的实质是甲烷(CH4 )与氧气(O2 )在外界热源
激发下的化学反应
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2 O + 886 .2 kJ/ mol (1)
但式(1)化学反应过程不能表示燃烧爆炸过程的详细机理,实验研究表明,这一化学反应过程能够用 19
步基元化学反应来描述。因此要准确描述爆炸过程,在数值模拟中必须将基元化学反应过程耦合到数学模
型中。而基元反应模型的引入,导致控制方程中组分增多,使得计算量非常庞大,为了解决计算精度和计算
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