受限空间N2对CH4最大爆炸压力的影响实验与模拟研究

近几年，石油化工业与煤炭业飞速发展，与之伴随的，是不同程度爆炸事故的发生率逐渐升高，相关人员对如何降低爆炸事故发生率的关注度也日益提高。煤炭作为我国的首要消费能源，如何能科学有效地控制井下爆炸事故的发生，十分重要。矿井爆炸事故多由井下瓦斯(CH4)引起，因此，高效降低瓦斯爆炸发生率是煤矿安全生产工作的核心[1]。

长久以来，已有不少学者在该领域做了相关的研究工作，Thomas等[2]验证了水雾主要通过交接燃烧产生的能量与动量来抑制瓦斯爆炸；Moen等[3]对设置多重障碍物的CH4爆炸开展了实验研究，结果表明，若所设障碍物的高度、间距及角度等重要参数选择得当，混合气爆炸极易达到103 m/s的湍流速度；Starke等[4]则在设有障碍物的圆形爆炸管道中开展了实验研究，结果表明，火焰上升速度随湍流速度增大而增大；温海燕[5]对受限空间内N2、CO2及H2O进行了数值模拟，发现这3种气体对瓦斯爆炸有明显的抑制作用；贾宝山等[6]应用CHEMKIN软件对受限空间内充入不同比例的N2进行了数值模拟分析，结果表明其对瓦斯爆炸有抑制作用，并且N2充入的比例会影响抑爆效果。尽管有关这一领域的研究成果较多，但是针对N2对CH4爆炸影响规律的具体实验研究目前还较为欠缺。

根据CH4燃烧爆炸相关的化学反应动力学研究成果，可知N2对CH4爆炸有明显的抑制作用，并且混合气中含氮量越多，瓦斯引爆时间就越滞后，压力也随之增大，且爆炸强度也随之减弱[7-8]。笔者将具体实验与数值模拟相结合，设定单组分气体，加入一定浓度的N2来进行实验，并使用目前最理想的GRI Mech3.0模型，对其进行数值模拟。针对N2对不同浓度的CH4最大爆炸压力的影响开展更为细致的探讨，并将实验研究和数值模拟2种方法得到的数据结果进行系统的对比。

（2）布置任务1：结合《考试说明》。阅读教材八年级上册第三章，先大致浏览该章内容，回顾生命活动调节的相关内容。

1 20 L球形定容弹内爆炸实验

1.1 实验设备、仪器及材料

实验设备、仪器主要包括：20 L球形定容弹，压力测量表，抽真空用电动机，配气设备台，导火索(2 000 J)，CQW150纹影仪，高速摄像机，数据采集系统等。实验用CH4、N2均来自高压气体钢瓶，其纯度分别为100%、99.9%。20 L球形定容弹爆炸装置如图1所示。

国家防汛抗旱指挥系统工程建设。二期工程初步设计概算通过国家发改委核定，初设报告获得批复，10月，水利部召开视频会议，全面部署国家防汛抗旱指挥系统二期工程建设管理工作。

  

1、2、4、6、7—电磁阀；3、5—压力变送器；8、9—球阀。

 

图1 20 L球形定容弹爆炸装置示意图

1.2 实验操作步骤

1)系统检查整个实验装置；

2)打开电源并启动PLC程序控制系统；

3)在点火头上安装导火索；

二是锁领域、建机制，提升入驻企业品质。Z公司根据中物院科技资源基础及绵阳市产业发展结构，将孵化器入驻企业锁定在智能制造、新材料领域，并制定了严格的创业项目和创业企业入驻孵化器的筛选、培育及毕业机制，制定了Z公司孵化器入驻管理办法、入驻流程、入驻项目和入驻企业评估流程以及入驻企业毕业管理办法等，从而有效地提升了孵化器入驻企业的品质，也为孵化器服务资源和功能配置奠定了良好的基础。此外，Z公司非常重视创业苗圃工作，三次承办中物院军民融合创新大赛，充分挖掘院内好项目、“好苗子”，吸引了包括水溶性UV涂料等35个优质项目落户孵化器。部分在孵企业情况见表1。

4)抽真空、配气操作；

5)将“自动/手动”按钮转向“自动”位置，迅速按下“运行”按钮，完成一次爆炸过程的操作；

康复医学作为正在逐步兴起的一门新的学科，其中的知识和理念需要当代所有的医务人员接受。借着目前各高职院校、医院大力发展康复医学的契机，我们将会把“工作坊”教学模式、障碍角色体验引入未来康复治疗专业教学中，同时通过各种培训、进修、访问及积极的评价、激励方式等加强师资队伍建设。通过这些改革，我们希望新型的康复治疗专业教学模式更有利于学生对康复医学理论知识和实践技能的学习和掌握，更有利于培养适应社会需求的康复医学人才，更有利于促进康复医学教育的发展，从而为社会输送更多合格的康复治疗技术人才。

6)利用计算机系统自动记录实验数据，形成规范的二维折线图；

7)洗气，并重复上述实验操作步骤。

1.3 实验初始工况

CH4的爆炸浓度(体积分数)为5%～16%，由于实验预设及设备的限制，在CH4爆炸上限和下限附近选取对应的8组浓度值，将此作为研究预设工况。另外，将空气中O2与N2的比例固定为21∶79，便于统一比对。初始工况条件如表1所示。

 

表1 受限空间内瓦斯爆炸初始工况

  

工况编号计算初始温度/K计算初始压力/MPa各气体体积分数CH4O2原有的N2充入的N2计算时间/s113500.10.050.17850.67150.100.02213500.10.060.17640.66360.100.02313500.10.070.17430.65570.100.02413500.10.080.17220.64780.100.02513500.10.130.16170.60830.100.02613500.10.140.15960.60040.100.02713500.10.150.15750.59250.100.02813500.10.160.15540.58460.100.02

1.4 实验结果折线图

完成20 L球形定容弹爆炸实验后，由连接的计算机生成相应的实验数据，导出数据值，绘制成图，如图2所示。

推广全民阅读，务必要考虑到全民的文化素质各有高低，参差不齐。且职业和思维受限，阅读能力也会有很大区别，只有浅阅读能更大程度的满足全民阅读的需要。

美国、欧盟、日本等发达国家食品安全管理经验的分析，其在安全监管工作中都更为严格，各个体系十分完善，值得中国借鉴[12-14]。

  

图2 各工况下充入N2爆炸实验压力变化折线图

1.5 实验数据分析

1)实验开始，充入N2，配制CH4体积分数为10%的混合气体，在2 000 J导火索点燃作用下，混合气体吸收一定的能量发生爆炸，爆炸延迟时间约为421 ms，压力值在最开始迅速上升，达到最高点后，缓慢下降，最终逐渐稳定。

2)CH4体积分数限制在5%～8%的混合气体，爆炸压力峰值随着CH4体积分数的升高而升高；当CH4体积分数处于13%～16%时，爆炸压力峰值会随着CH4体积分数的升高而降低。在工况4时，CH4体积分数为8%，最大爆炸压力值为0.35 MPa；在工况8时，CH4体积分数为16%，最大爆炸压力值减小到0.024 MPa。整个变化过程中，最大爆炸压力值较大区域处于CH4体积分数为7%～13%内。

The primary endpoint was development of thrombosis of the operated segment,bleeding and surgical site infection,the need for re-interventions and amputations within 30 days after primary revascularization.

3)分析工况1到8对应的相邻CH4浓度的爆炸压力峰值的差值，依次分别为0.140、0.070、0.040、0.070、0.070、0.156、0.030 MPa，最大差值为0.156 MPa，出现在CH4体积分数为14%～15%内，最小差值为0.030 MPa，出现在CH4体积分数为15%～16%内；压力值在CH4爆炸下限附近，差值变化较为稳定，在CH4爆炸上限附近，差值变化较大，波动更明显。

2 数值计算模型

CHEMKIN 模拟软件容量大，常用于对燃烧爆炸过程、化学气相沉积、解析过程等多种复杂化学反应过程的数值模拟分析，以气相动力学、表面动力学、传递过程学这3个核心软件包为技术支撑，内部涵盖了21 种常见化学反应模型及后续处理的应用程序。本次模拟利用CHEMKIN中的一个子程序SENKIN计算模块，用来模拟封闭绝热反应器中CH4与空气的混合气化学反应动力学过程[9-13]。

（4）位置。肺癌肿块分布可分为左肺叶、右肺叶、上叶、下叶几个部分。在36例周围型小肺癌患者中，肿块在左肺的上叶有8例，其比例为22.22%；中叶的有4例，其比例为11.11%；下叶的有8例，其比例为22.22%。患者中，肿块在右肺的上叶有4例，其比例为11.11%；在中叶的有2例，其比例为5.56%；在下叶的有10例，其比例为27.78%。

2.1 数值模拟

2.1.1 瓦斯爆炸的初始工况条件

本次研究侧重于实验数据与数值模拟数据的对比分析，因此，确保与所选用的实验初始工况保持一致。数值模拟的初始工况见表1。

第四，农业资源利用与绿色生活的当期系数均为正数，表明农业资源利用与绿色生活对我国农业绿色发展具有正向影响；农业环境质量、农业生态保护与增长质量的当期系数均为负数，表明农业环境质量、农业生态保护与增长质量对我国农业绿色发展具有负向影响，但其在10%的显著性水平下均未通过检验，因此我们将这些变量从模型中去掉。

3)综合分析模拟与实验结果，充入等浓度的N2后，CH4体积分数限制在5%～8%的混合气，爆炸压力随着CH4体积分数的升高而升高；而当在CH4体积分数处于13%～16%时，爆炸压力会随着CH4体积分数的升高而降低，2种方法得到的最大爆炸压力值变化趋势相似，但数值上相差较大。

8种工况下，爆炸压力整体呈现先急速上升，后趋于平稳的流线趋势，起爆时间集中在0.004～0.010 s，爆炸属于瞬间状态，起爆后约0.002 s结束爆炸，压力趋于稳定。模拟状态下，各工况点下的最大爆炸压力变化趋势如图3所示。

根据小学生的心理特点，游戏是小学生学习数学的一种很好方式，在教学中创设游戏情境，能使学生参与的积极性高，课堂气氛活跃，使学生的精神状态容易放松，并且在一种轻松快乐的学习氛围中解决问题，不仅使学生获得了知识，更为重要的是能感受到学习的快乐。

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图3 各工况下气体爆炸模拟压力变化趋势图

2.2 数值计算结果与分析

1)由图3可知，在初始热源1 350 K(软件模拟输入的初始条件)的作用下，在充入N2后混合气体CH4体积分数为10%，混合气体吸收热量，发生爆炸(瓦斯爆炸是瞬间发生的现象，爆炸时间仅为万分之一秒)。当CH4体积分数控制在5%～8%时，起爆时间在0.004～0.006 s内波动；当CH4体积分数控制在13%～16%时，起爆时间在0.008～0.010 s内波动，随着CH4浓度的增高，起爆延迟时间也随之增大。

2)在高温热源下，混合气体在几种工况下的爆炸压力值均急剧上升并最终达到一个稳定值。当处于CH4爆炸下限附近范围的浓度值时，最终稳定的爆炸压力值会随着CH4浓度的升高而有不同程度的增高；当处于CH4爆炸上限附近范围的浓度值时，爆炸压力值则会随着CH4浓度的升高而有不同程度的降低，最大爆炸压力值先上升后下降，最大压力峰值出现在CH4体积分数为8%时，其值为0.225 MPa。

3)每一组实验进行前要经过进气排气过程，不排除在定容弹清洗过程中，有罐内剩余气体未清洗干净，影响了下一组的实验结果。

3)分析工况1到8对应的相邻压力峰值的差值，依次分别为0.011,0.008,0.007,0.011,0.001,0.001和0.001 MPa,最大差值为0.011 MPa，出现在CH4体积分数为5%～6%内，最小差值为0.001 MPa，出现在CH4体积分数为15%～16%内，压力值在CH4爆炸上限附近，差值变化较为稳定，在CH4爆炸下限附近，差值变化较明显，差值相对较大。

2.3 实验结果与数值计算结果对比分析

各工况下最大爆炸压力实验结果与数值模拟计算结果对比情况如图4所示。

  

图4 各工况下最大爆炸压力实验结果与模拟结果对比

[3] MOEN I O，BERKETVEDT D，RINNAN A，et a1.Deflagration of detonation from tubes into a large fuel-air explosive Cloud[J].Symposium (International) on Combustion，1982，41：635-644.

1)实验所采用的20 L球形定容弹并不是首次使用，因此不排除之前煤粉爆炸实验清洗不彻底的残余成分参与了本次爆炸过程，影响了实验结果，导致数据波动。

2)本次实验采用的引燃材料是2 000 J的导火索，而不是相对稳定的电火花式引火器(成本较高)，导火索的主要成分是硝酸钾，应用的原理是化学反应放出大量的热引起爆炸，因此实验过程中有不确定、不完全、不及时的情况，这也会在一定程度上影响实验结果的准确性，甚至出现偏差。

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4)实验气体用量均为实验室配气台自行配置，在配置过程中存在读数及仪器偏差，也会在一定程度上影响实验结果的准确性，导致数据波动。

[1] 梁运涛.瓦斯爆炸反应动力学特性及其抑制机理[M].北京：科学出版社，2013.

6)数值模拟软件模拟出的值一般为解析解，大量排除了一些偶然因素的干扰，因此与实验值比较，其波动幅度小，变化较为平缓。

据德国媒体报道，德国工业联合会主席肯普夫12月3日在接受采访时表示：“我们需要在人工智能领域拥有更多的专家，为此我们必须到世界各地去寻找。”

3 结语

1)分析数值模拟与现场实验结果，在瓦斯混合气中充入适量N2可以降低混合气的浓度，抑制内部自由基的解析，进而降低反应活化中心的浓度及瓦斯爆炸的强度，对爆炸的发生起到一定的抑制作用。

2)综合分析模拟与实验结果，对于CH4与N2的混合气，随着CH4浓度的升高，起爆时间越来越长，联系到实际井下生产工作环境，合理控制和运用N2，将其适当适量地送入井下受限空间，将不同程度地推迟瓦斯的爆炸时间，缓解井下的安全问题，可有效防止瓦斯爆炸事故的发生。

2.1.2 各设定工况下CH4爆炸压力变化趋势

4)综合分析实验数据，考虑到在配气过程中的少量漏气、仪器清洗不彻底、实验仪器漏气等实际问题，也考虑到数值模拟较为理想化，认为在今后的瓦斯爆炸防治工作中，要适当综合考量实验与模拟数据，避免与井下实际情况偏差过大，影响实际应用。

参考文献：

5)实验用20 L球形定容弹在封闭状态下进行爆炸实验，但并不排除由于各个阀门及顶盖密封不严而造成的进气漏气问题，也会不同程度地造成实验结果偏差。

[2] THOMAS G O，JONES A，EDWARDS D H.Influence of water sprays on explosion development in fuel-air mixtures[J].Combustion Science and Technology，1991，80(1-3)：47-61.

由图4可以看出，最大爆炸压力实验值折线在模拟值折线上下波动，数据总体上均呈先增大后减小的变化趋势，但数值上偏差较大。分析实验过程，产生偏差的原因如下：

[4] STARKE R，ROTH P.An Experimental Investigation of Flame Behavior During Explosions in Cylindrical Enclosures with Obstacles[J].Combustion and F1ame，1989，75：111-118.

[5] 温海燕.受限空间N2、CO2及H2O抑制瓦斯爆炸的数值模拟研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.

[6] 贾宝山，温海燕，梁运涛，等.受限空间瓦斯爆炸与氢气促进机理的研究[J].中国安全科学学报，2012，22(2)：81-87.

[7] 贾宝山，李艳红，曾文，等.定容体系中氮气影响瓦斯爆炸反应的动力学模拟[J].过程工程学报，2011，11(5)：812-817.

[8] 贾宝山，王小云，温海燕，等.煤矿巷道内CO抑制瓦斯爆炸的反应动力学模拟研究[J].爆破，2013，30(1)：35-40.

[9] 陈桢.矿井火区可燃气体爆炸分析[J].煤矿现代化，2005(5)：17-18.

[10] ANDREW E L，ROBERT J K，JAMES A M.Senkin：A fortran program for predicting homogeneous gas phase chemical kinetics with sensitivity analysis [P].Sandia National Laboratory Report CA 94551-0969，1988.

[11] GREGORY P，SMITH D G.Gri-Mech 3.0[EB/OL].http：//www.me.berkeley.edu /gri_mesh/version30/text30.html，2005/2007.

[12] 司荣军.温度压力耦合对甲烷爆炸极限影响的试验研究[J].安全与环境学报，2014，14(4)：32-35.

[13] 王颖.20L球形密闭装置内惰性气体抑制瓦斯爆炸实验研究[D].太原：中北大学，2012.

[14] 罗振敏，林京京，郭正超，等.煤矿其他可燃气体对空气中甲烷爆炸极限的影响[J].中国安全科学学报，2015，25(1)：91-97.

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