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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 煤礦瓦斯爆炸過(guò)程沖擊波分析與安全艙研發(fā)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 利用仿真模擬軟件LS-DYNA代替實(shí)際操作來(lái)計(jì)算出瓦斯爆炸過(guò)程中的氣流沖擊波傳播規(guī)律，并計(jì)算出不同位置的氣流大小，根據(jù)此設(shè)計(jì)出安全艙的模型，并進(jìn)行氣流加載，最終設(shè)計(jì)出能承受瓦斯沖擊的安全艙。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目基于流體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)利用有限元法對(duì)煤礦瓦斯爆炸過(guò)程的沖擊波傳播和衰減規(guī)律以及安全艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析，主要包括：1、利用UG和LS-DYNA軟件建立礦井下巷道有限元模型。2、分析了爆炸過(guò)程中不同時(shí)間以及不同位置的沖擊波傳播規(guī)律。3、根據(jù)爆炸數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)安全艙尺寸，并對(duì)安全艙進(jìn)行沖擊分析并加以改進(jìn)和優(yōu)化。4、最終設(shè)計(jì)出最符合實(shí)際應(yīng)用的安全艙。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 由于現(xiàn)在煤礦瓦斯爆炸事故頻發(fā)，給礦井下工作人員的生命安全造成了極大的威脅，但是此項(xiàng)目如果進(jìn)行實(shí)際的分析，肯定會(huì)有很大的困難和造成很大的損失，同時(shí)也會(huì)付出很大的代價(jià)，所以我們利用仿真模擬的方法，建立瓦斯爆炸過(guò)程中的各種模型，進(jìn)行仿真運(yùn)算，然后算出爆炸過(guò)程中氣流的產(chǎn)生和傳播規(guī)律，對(duì)建立的模型進(jìn)行加載求解，以設(shè)計(jì)出能在礦井下起到保護(hù)工作人員安全的安全艙。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 根據(jù)實(shí)際情況中巷道的環(huán)境以及其組成，以爆炸力學(xué)，爆炸動(dòng)力學(xué)，熱力學(xué)理論和有限元理論為基礎(chǔ)建立的爆炸過(guò)程沖擊波傳播和衰減三維仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巷道不同位置地點(diǎn)的沖擊波超壓分析并和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)計(jì)安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，并利用彈塑性有限元理論對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)分析。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 此項(xiàng)目是研究煤礦下瓦斯爆炸過(guò)程中氣流傳播與安全艙開(kāi)發(fā)，由于實(shí)際去井下進(jìn)行試驗(yàn)非常危險(xiǎn)而且困難，所以選擇用LS-DYNA仿真軟件建立和完成的，這樣節(jié)約大量的試驗(yàn)用品，并且能得出非常符合實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終我們建立了礦井下的安全系統(tǒng)，三維巷道模型和井下救生艙，可以為安全艙的投入應(yīng)用提供大量的可靠數(shù)據(jù)，一旦我們的安全系統(tǒng)投入使用，將會(huì)為礦井下的工作人員的生命安全提供極大保障，給社會(huì)減輕一些不必要的麻煩。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 縱觀近幾年的煤礦瓦斯事故，爆炸危害性極大的觸及到了人們安全生產(chǎn)的底線，同時(shí)隨著模擬仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用并逐步的應(yīng)用到了工程測(cè)量中，使得一些實(shí)際難以計(jì)算分析的情況得以解決，本項(xiàng)目就依據(jù)實(shí)際礦井?dāng)?shù)據(jù)和瓦斯爆炸能量、利用ANSYS-LS-DYNA建立巷道和炸藥的三維模型，對(duì)沖擊波傳播和衰減規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，以得到在爆炸過(guò)程中氣流在傳播過(guò)程中的規(guī)律，包括氣流傳播速度，氣流在各個(gè)位置的壓力大小等。根據(jù)此規(guī)律，再結(jié)合我們所學(xué)知識(shí)，根據(jù)爆炸力學(xué)與流體力學(xué)，以及各種材料的屬性，我們選用一種材料來(lái)建立能耐的住爆炸氣流沖擊的安全系統(tǒng)，既礦井下的安全艙，安全艙的內(nèi)外部均加有進(jìn)一步的防護(hù)措施，包括穩(wěn)固結(jié)果，各種涂料等，以使得安全艙可以在礦井下最大限度的發(fā)揮其作用，來(lái)保障工作人員的安全。
獲獎(jiǎng)情況
- 獲得學(xué)校科創(chuàng)基金項(xiàng)目的資金贊助
鑒定結(jié)果
- 此項(xiàng)目可以按時(shí)完成
參考文獻(xiàn)
- 1、第二十一屆國(guó)際采礦安全會(huì)議文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，1985. 2、煤礦瓦斯爆炸研究現(xiàn)狀及綜合分析.作者：林柏泉、葉青. 3、管道內(nèi)瓦斯爆炸壓力的傳播研究，工業(yè)安全與環(huán)保，2009年第35卷第1期. 4、礦難救生球系統(tǒng)在瓦斯爆炸沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng).中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008,18(10):92-97. 張玉周,姚斌，葉軍君. 5、橋梁結(jié)構(gòu)爆炸分析特點(diǎn)綜述[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,6.24(3). 劉山洪,魏建東,錢(qián)永久 6、爆炸沖擊波在建筑群中傳播規(guī)律及其毀傷效應(yīng)研究[D],北京工業(yè)大學(xué)2007. 王可強(qiáng) 7、TNT當(dāng)量法預(yù)測(cè)某石化設(shè)備爆炸后果評(píng)價(jià)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2005,3(1). 宋元寧,于立友,李彩霞. 8、爆炸力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:106-110. 惲壽榕,趙衡陽(yáng). 9、基于ALE算法的空氣中沖擊波繞流數(shù)值模擬研究[J].工程爆破.2008,8(2). 王飛,朱立新,顧文彬等.
同類(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)外對(duì)煤礦安全方面的研究較早，美國(guó)、俄羅斯、波蘭、德國(guó)、日本等對(duì)煤礦事故都進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，尤其是在可燃碳?xì)錃怏w與氧氣或空氣混合后的引燃、傳播以及工業(yè)粉塵爆炸特征等方面做了大量的研究。澳大利亞格林等人建立了瓦斯和煤塵爆炸過(guò)程的理論框架及計(jì)算機(jī)模擬模型，該模型采用三個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，在忽略氣體粘性和擴(kuò)散傳播基礎(chǔ)上，成功計(jì)算了火焰加速度、點(diǎn)火能量、和可燃物與氧的比值。蘇聯(lián)薩文科等人通過(guò)管道試驗(yàn)獲得了空氣沖擊波通過(guò)巷道分岔和轉(zhuǎn)彎處的衰減系數(shù)，并利用薄膜測(cè)壓實(shí)驗(yàn)獲得了沖擊波強(qiáng)度與巷道斷面尺寸和巷道粗糙性的關(guān)系。美國(guó)皮特斯堡研究中心通過(guò)大量的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)，研制出了抑制礦井瓦斯爆炸裝置，利用火焰的傳播和壓力增長(zhǎng)激發(fā)裝置動(dòng)作，從而抑制瓦斯爆炸的傳播，收到了良好效果。日本東京大學(xué)建立了瓦斯空氣混合氣體在惰性熱表面接觸點(diǎn)火的數(shù)學(xué)模型，研究了點(diǎn)火機(jī)理。 我國(guó)在這方面的研究比較晚，通過(guò)眾多學(xué)者和專(zhuān)家的艱苦攻關(guān)，在理論探索、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬計(jì)算方面均取得了一系列的成果。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)眾多學(xué)者對(duì)瓦斯爆炸沖擊波的傳播規(guī)律、障礙物對(duì)沖擊波影響、瓦斯?jié)舛群突鹪磳?duì)瓦斯爆炸的影響、火焰厚度測(cè)定、瓦斯爆炸傳播火焰的內(nèi)聚力特性、氣體和粉塵爆炸原理等進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，取得了一系列成果。張英浩和王志杰對(duì)瓦斯氣體在管道內(nèi)的爆炸過(guò)程進(jìn)行了初步研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將壓力傳播的變化過(guò)程分為前驅(qū)沖擊波、升壓、降壓、余波4個(gè)階段,并對(duì)各階段中的壓力傳播狀況進(jìn)行了分析。蘇舉端等通過(guò)對(duì)爆炸過(guò)程中爆炸壓力、溫度、速度等相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間、空間的變化規(guī)律的分析,進(jìn)一步研究瓦斯爆炸的機(jī)理和破壞效應(yīng)。煤科總院重慶分院設(shè)計(jì)的長(zhǎng)896 m斷面7.2 m2的地下大型爆炸試驗(yàn)巷道以及?720mm長(zhǎng)93 m、?2 000 mm長(zhǎng)29 m、斷面10m2長(zhǎng)20m的地面系列爆炸試驗(yàn)鋼制管道等、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)的巷道長(zhǎng)518.16 m,斷面為梯形(左幫高1.828 m,右?guī)透?.286 m,寬6.096 m)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)100 m長(zhǎng)? 300 mm的瓦斯爆炸管路及兩個(gè)中型瓦斯爆炸罐、北京理工大學(xué)103m爆破試驗(yàn)測(cè)試風(fēng)洞等大型裝置,獲得了瓦斯爆炸過(guò)程中的特征參數(shù)變化規(guī)律、傳播規(guī)律等,為瓦斯爆炸防治及控制奠定了理論基礎(chǔ)。
