摘要
甲烷（煤尘）爆炸是影响煤矿安全生产的重大灾害之一，其产生的强大冲击波和有毒有害气体严重危及生命和自然环境，对此国内外学者进行了大量研究，并在爆炸动力学特征及抑爆方面均取得了重要进展。然而，目前对于甲烷（煤尘）爆炸发展过程中微观结构的演化还缺乏深入的认识，尤其在一些复杂环境条件下爆燃会转为爆轰，使波结构的微观演化过程更加复杂，抑爆难度更大。且细水雾虽是目前广泛应用的抑爆技术，但是利用水雾抑制气-固混合爆炸的研究仍处于发展阶段，对气-液-固耦合作用的微观结构特征和传热传质及动量交换研究较少。因此，本文开展了甲烷（煤尘）爆轰传播的动力学微观特性及水幕抑爆机理研究，取得了如下研究成果： 基于OpenFOAM框架下开发而来的求解器RYrhoCentralFoam，研究了化学计量比下CH4/O2/N2混合物发生爆轰后其激波面微观特征及传播规律。通过超算平台并行计算得到了每反应步长88个单元的极高分辨率的详细结构，捕获到了清晰的峰值压力轨迹，以及爆轰波的微观特征结构，包括马赫杆、入射波、横波、三波点等；通过爆轰波结构的演化，阐述了胞格结构的形成过程；此外，还发现由于横波的结构复杂性，在一个胞格结构内会出现多条压力波纹；最后揭示了爆轰流场中的变量特征，发现高温、高压及高密度区域呈条纹状分布，气相平均热释放率在反应面达到最大值。 研究了不同参数的分散相水幕对甲烷爆轰的抑制作用，确定了不同液滴参数下使甲烷爆轰解耦的临界水幕长度。结果表明：临界水幕长度随液滴质量载荷的增大而单调减小；对于固定的液滴质量载荷，液滴直径越小，临界水幕长度越短；当水幕长度接近临界值时，前导激波面和反应面发生解耦，并在穿过水幕后发生重新起爆；当水幕长度超过临界值时，甲烷爆轰波可以完全解耦，且不会发生再起爆现象。此外，研究了水幕对甲烷爆轰的非定常响应，揭示了水幕对甲烷爆轰的抑制机理。结果表明：在水幕作用下，甲烷爆轰速度明显衰减；当爆轰波进入水幕区域时，能量和动量交换立即开始，而质量交换在爆轰波之后开始，即在反应面附近发生；气相的动量减弱（加速液滴）不足以使入射的爆轰波发生解耦，而是以液滴被加热产生的对流换热为主，同时，液滴的对流换热功率比水蒸气焓高一个数量级，表明液滴汽化产生的水蒸气对气相爆轰动力学的影响有限。 采用欧拉-拉格朗日方法对稀煤尘悬浮系中甲烷爆轰动力学进行了研究，可视化、定量化分析了不同浓度和粒径下的悬浮煤尘对甲烷爆轰的影响机制。结果表明：当煤尘粒径较小（≤2.5μm）且浓度较高（≈500g/m3）时，爆轰波在煤尘悬浮系前缘附近发生解耦，前导激波平均传播速度随着煤尘浓度的增加和粒径的减小而减小；对于粒径为1μm的煤尘，如果浓度超过一定的阈值（465g/m3），则会发生爆轰解耦再起爆现象；并预测了爆轰稳定传播和解耦的状态图，发现再起爆位置随着煤尘浓度的增加而减小，但当浓度超过1000g/m3时，再起爆位置接近常数（≈0.225m）。其次，对爆轰波与煤尘之间的界面耦合进行了分析，发现在诱导区中，质量和能量交换率在反应面前沿附近迅速增加到最大值；同时，煤尘粒径越小，浓度越大，质量、能量和动量的交换率越大。最后，可视化了甲烷-煤尘混合爆轰的详细微观结构，并发现在反应面存在煤尘颗粒燃烧产生的热点，这些热点引起的气穴燃烧将有助于压力波的形成，从而影响爆轰的前导激波。 基于零维等容模型研究了煤颗粒表面反应对甲烷化学过程的影响。结果表明：甲烷点火时间随煤尘浓度呈单调变化，随煤尘粒径呈非单调变化，甲烷点火时间对煤尘粒径（d0P）的依赖性可分为A（d0P0lt;2.5μm）、B（2.5lt;d0P0lt;20μm）和C（d0P0gt;20μm）三个阶段。此外，发现对于任一煤尘浓度，只有当煤尘粒径小于某一值（约为5μm）时，表面反应对混合物的点火时间才显示出相当大的影响。这进一步确定了对气相化学产生影响的煤尘粒径范围，从而证明了二维计算中发现的小颗粒的富爆轰行为（如局部爆炸和爆轰解耦再起爆现象）。 研究了不同载荷和直径的液滴对不同煤尘参数下的甲烷-煤尘点火时间的影响规律，并揭示了水幕抑制甲烷-煤尘爆轰的作用机制，给出了水幕抑制不同煤尘浓度环境下的甲烷-煤尘爆轰解耦的临界参数。结果表明：对于固定载荷的液滴，点火时间随着煤尘浓度的增大而单调减小，随煤尘粒径的增大而增大；对于固定直径的液滴，点火时间随着煤尘浓度的增大而单调减小，随煤尘粒径的增大而增大；而且直径大于5μm的液滴存在较长的蒸发时间，但是对气体和颗粒的点火影响甚微。对于低浓度煤尘环境，如50g/m3，随着所添加水幕液滴载荷的增加，甲烷-煤尘爆轰结构越不稳定，表现为胞格尺寸变大、激波速度波动幅度增大和颗粒的热释放率降低，当添加液滴载荷大于0.2的水幕，甲烷-煤尘爆轰即发生完全解耦；对于高浓度煤尘环境，如1000g/m3，随着所添加水幕液滴载荷的增加，爆轰解耦后发生再起爆的位置被延后，延后位置（x）与液滴载荷（z）的关系式为x=0.77z2+0.05z+0.23；当添加液滴载荷大于0.3的水幕时，爆轰波在计算域内发生解耦后，未发现再起爆现象。因此，通过在爆轰解耦区域内添加合适的抑爆水幕，延长了反应面热点形成的时间，进而有效防止再起爆的发生。
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