防爆外壳内部结构对爆炸压力的影响.pdf

煤矿规代化
2015第6親
愿第129
防爆外売内部结构对爆炸压力的影响
冯利国
(煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁沈阳110000
摘要分析了防爆外壳损坏的原因,比較爆炸压力理论值与实际值的差异。运用 Fluent流体软件模
拟分析凸形结构与正方形结构爆炸过程,发现凸型结构的爆炸压カ比正方型结构大20%。最后,本文
提出分腔的建议,修改后的防爆外壳通过防爆试验。
关键词防爆外壳;凸形结构;CFD;爆炸压力;分腔
中图分类号:TA684文献标志码:B文章编号:1009-0797(2015)06-0131-03
I理论分析
态的温度;、no反应物终态和反应物初态的摩尔数;
pmn、p分别为反应初态的压强。
某防爆外壳主腔在进行外壳耐压试验时观察窗
若按照式(1)刚,在常压下环境温度为25℃时
破损,见图1。更换相同规格玻璃后进行耐压试验,观9.8%的空气混合物的最大爆炸压力明为0.74MPa小
察窗处依旧破损。本设备采用19m厚钢化玻璃,而于P…,因此防爆内腔结构增大了试验爆炸压力。这
常规的钢化玻璃最大厚度为19mm因此无法加大厚是因为甲烷气体在点火源的作用下产生爆燃,形成
度。检査法兰以及观察窗隔爆面并没有发现连续性柱面冲击波阵面,在不考虑避免影响、壁面摩擦以及
的火焰传播通路,因此可以断定在观察窗的损坏前热传递影响的条件下.柱面冲击波在马赫杆作用下
防爆外壳并没有传爆,并且观察窗的损坏是由防爆内逐渐衰减为平面冲击波。然而,由于凸形结构作用,
腔爆炸引起。图2为试验时测得爆炸压力曲线,可改变了爆炸传播路径,使爆炸冲击波的截面发生变
以看出在试验过程中防爆外壳承受的最大压力P。化,因此火焰面发生褶皱和变形,未然气体被压缩效
为0.93MPa。
果增强,即P。增大,根据式(1)可知,被压缩的气体点
燃后爆炸压力变大。
数值分析
2.1数学模型
本文论述的隔爆外壳尺寸为540mm×400mmx
300mm为例,其结构如图3,运用 Lent流体计算软
件对模型进行数值分析,为简化计算,建立540mx
300mm的二维模型如图4所示的凸型结构,并建立
图1试验结果
观测点A。
图2爆炸压力曲线
式中:Tr、T分别为反应物终态的摩尔数物终态和初
图3设备结构
131
煤矿现代化
2015年第6期
总第129期
式中,p,p,u,T,Yr分别代表压力、密度、速度、绝对
密度、燃料质量分数;μ,A,D分别为动力粘度、热
导率和扩散系数;Rr为化学反应速率,由燃烧模型计
算;)为燃料的燃烧热。
2.2初始及边界条件
根据文献?、[8可知甲烷浓度为9.8%时,可获
得最大爆炸压力,因此初始条件可设为oo(CH2)=0.
055、oo(O2)=0.22、oa(N2)=0.725、o(CO2)=0、oo
(H2O)=0、P2=101325。在模型中点(0.150)处 PATCH
图4凸型结构模型
一个200×200温度为2000K的方形点火区域,用来
为验证外壳内部结构截面突变对火焰传播和爆点燃整个试验气体。边界条件采用封闭入口跟出口
炸压力的影响,建立如图5所示的正方形模型和观壁面为绝热条件。
测点B
2.3模拟结果分析与讨论
0300
图6为A、B两点压力随时间变化的曲线。从图
6可以看出曲线A的上升曲率大于曲线B的上升曲
率;曲线A的最大压力P(A)为1.28MPa,曲线B的
最大压力P(B)为1.12MPa。由于2个模型的模拟
条件相同,只有结构不同。因此凸形结构造成了压力
的增大。这是由于随着爆炸的进行,火焰阵面向前传
播,进而对未然气体进行了压缩,如图7所示,爆炸
压力升高,当火焰面过后,由于稀疏波的作用,密度
00)
继续不断增加,其压力值也不断增大。
图5正方形结构模型
甲烷爆炸是一个极速的燃烧化学反应,必然遵循
连续方程、能量守恒以及化学组分平衡方程,见式
(2)、(3)、(4)、(5)。为了探究爆炸压力波、温度面的
Mna
变化状态,采用标准k-8模型描述湍流,并采用
Fluent提供的涡耗散模型(EDC)进行计算
.42
动量方程
“2RRR号88品R9252
Ot
图6压力随时间变化的曲线
(2
259+00
245e+00
连续方程
2316
218+00
p
0
能量方程
135400
10900
(9d)Q
p urh
954a01
r
318001
68201
546°-01
01
40p01
=Rpop
213001
or
Contours of Density (kg/m3) (time-1 00000-03)
an1B.2016
燃料组分方程
ANSYS FLUENT140(24,中,pns,p,我e, transie
0
图7密度云图
Ot
pp
根据模拟结果,对外壳进行分腔处理即将该设
R
(5
备沿点(160.100)(500.100)分割成2个腔,保证爆炸
r
传播途径不发生突变。利用国家煤矿防爆安全产品