Die kontinuierliche Entwicklung von Flammens trukturen während der Verpuffung von Methan-Kohlenstaub-Hybriden wurde unter Verwendung einerHoch geschwindigkeit kamera(NEO 25), die eine direkte Visual isierung der transienten Verbrennungs dynamik ermöglicht.
Die Verpuffung von Methan-Kohlenstaub-Hybriden stellt ein typisches und hoch gefährliches Szenario im unterirdischen Kohlebergbau dar. Das transiente Ausbreitung verhalten und die Gas-Fest-gekoppelten Reaktions eigenschaften stellen sowohl das mecha nis tische Verständnis als auch die Gefahren minderung vor erhebliche Herausforderungen.
Frühere Studien stützten sich haupt sächlich auf Drucks ignale oder Rückstands analysen nach der Explosion, um auf den Deflagrations prozess zu schließen. Solche indirekten Ansätze reichen jedoch nicht aus, um Schlüssel merkmale wie die Entwicklung der Flammens truktur, die Ausbreitung geschwindigkeit und die Instabilität der Front aufzulösen, wodurch das eingehende Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen einges chränkt wird.
Um diesen Einschränkungen zu begegnen, wurde von einem Forschungs team der Chongqing-Universität eine auf Hoch geschwindigkeit kameras basierende experimentelle Plattform eingerichtet. Durch die Integration synchron isierter Druckmessungen mit reaxFF reaktiven Molekulardynamik simulationen untersucht die Studie systematisch das hybride Deflag ration verhalten sowohl aus makros kopi scher als auch aus mikroskopi scher Perspektive. In diesem Rahmen,Hoch geschwindigkeit kameraDient als primäres Diagnose werkzeug, das den Aufbau einer visual isierungs basierten Evidenz kette für Verpuffung prozesse ermöglicht.
2.1 Experimentelles System
Es wurde ein umfassender Versuchs aufbau entwickelt, der aus einem transparenten Explosions rohr, einem Gas-Pulver-Mischsystem, einem Zünd modul, einem Druck erfassungs system und einerHochgeschwindigkeits-Bildgebung system. AEnthüllerHohe EmpfindlichkeitHoch geschwindigkeit kamera(NEO 25) wurde eingesetzt, um den Verpuffung prozess kontinuierlich aufzu zeichnen.
Die Kamera arbeitete mit hoher zeitlicher Auflösung (5000 fps in dieser Studie) und wurde mit dem Druck erfassungs system synchron isiert, um eine genaue zeitliche Korrelation zwischen Flammen entwicklung und Druck dynamik sicher zustellen. Diese Konfiguration ermöglicht die direkte Beobachtung transienter Verbrennungs strukturen und deren Kopplung mit der Druckent wicklung.
2.2 Experimentelle Bedingungen
Insgesamt 21 Versuchs bedingungen wurden durch Variation der Methan konzentration (7, 9,5 und 11 Vol.-%) und der Kohlenstaub konzentration (0-300g/m³) ausgelegt. Der Zeitpunkt der Pulver dispersion und-zündung wurde mithilfe eines Relais systems präzise gesteuert, um die Wiederholbar keit und Konsistenz der experimentellen Daten sicher zustellen.
2.3 Mikroskop ische Reaktions mechanismus Simulation
Um experimentelle Beobachtungen zu ergänzen, wurden reaktive molekulare Dynamik simulationen von ReaxFF durchgeführt. Ein molekulares Modell von Methan-Bitumen kohle wurde erstellt, um Kohle pyrolyse-und Gasphase reaktions wege zu untersuchen. Dieser Ansatz ermöglicht die Verbindung zwischen dem makros kop ischen Flammen verhalten und den mikroskop ischen Reaktions mechanismen.
Abb.1 Schematische Darstellung des Versuchs aufbaus für die Verpuffung von Methan-Kohlenkohle-Hybrid
3.1 Flammens truktur entwicklung von Hoch geschwindigkeit kameras erfasst
Die Flammen entwicklung, die von derHoch geschwindigkeit kamera(Abb. 2) liefert zeit aufgelöste visuelle Beweise für die Deflag ration von Methan-pulverisiertem Kohle hybrid, die einen Übergang von indirekten Inferenz basierend auf Drucks ignalen zur direkten Beobachtung des Verbrennungs prozesses ermöglicht.
Abb. 2 Zeit aufgelöste Flammen entwicklung, die von einem Revealer erfasst wurde (NEO 25)Hoch geschwindigkeit kameraUnter verschiedenen Methan-und Kohlenstaub konzentrationen
Die Flammen bilder decken mehrere experimentelle Bedingungen mit unterschied lichen Methan-und Kohle konzentrationen ab. Trotz Unterschieden in der Flammen helligkeit, der Ausbreitung geschwindigkeit und der Instabilität intensität wird ein konsistentes strukturelles Entwicklungs muster beobachtet. Basierend auf der Cross-Condition-Analyse kann der Deflagrations prozess in vier verschiedene Phasen eingeteilt werden:
1) Zündung und Flammen kern bildung
2) sphärische Flammen ausdehnung
3)finger artige Flammen entwicklung
4) Flammenfront Instabilität
Diese Phasen werden unter allen Bedingungen konsistent beobachtet und unterscheiden sich nur in der zeitlichen Skala und der strukturellen Komplexität.
Um den Mechanismus weiter aufzuklären, wurde eine repräsent ative Bedingung (9,5 Vol.-% Methan und 50g/m³ Kohlenstaub) ausgewählt, die der maximalen Flammen ausbreitung geschwindigkeit entspricht. Unter dieser Bedingung zeigt die Flamme zunächst eine glatte kugelförmige Struktur, was auf eine relativ gleichmäßige Reaktion hinweist. Mit fortschreiten der Ausbreitung verlängert sich die Flammenfront entlang der axialen Richtung und bildet finger artige Strukturen, was auf eine lokalisierte Verbesserung der Reaktions raten hindeutet.
Wenn die Flamme ungefähr ein Drittel der Rohrhöhe erreicht, tritt eine ausgeprägte Instabilität der Flammenfront auf, die durch Falten, Bifurkation und lokalisierte Vorsprünge gekennzeichnet ist. Dieser Übergang markiert den Beginn einer turbulenz verstärkten Verpuffung.
Mecha nis tisch ist diese Instabilität eng mit der Kohle pyrolyse verbunden. Bei erhöhten Temperaturen setzen Kohle partikel flüchtige Spezies und aktive Radikale frei, die in die Gasphase eintreten und Ketten reaktionen verstärken. Während dessen induziert die räumlich heterogene Freisetzung flüchtiger Stoffe Gradienten in Reaktions geschwindigkeit und Temperatur und löst hydro dynamische und thermo diffusive Instabilitäten an der Flammenfront aus.
Daher Abb. 2 zeigt nicht nur die inszenierte Entwicklung von Flammens trukturen, sondern stellt auch eine direkte Verbindung zwischen dem makros kop ischen Flammen verhalten und mikroskop ischen Reaktions prozessen her, was zeigt, dass Hoch geschwindigkeit kameras für die mecha nis tische Analyse der hybriden Deflag ration wesentlich sind.
3.2 Quant ifizierung der Flammen ausbreitung mit Hoch geschwindigkeit kamera
Basierend auf den von der Revealer-Hoch geschwindigkeit kamera erfassten Bilds equenzen wurden Flammen höhe und Ausbreitung geschwindigkeit durch Bild verarbeitung extrahiert (Abb. 3), und die maximale Flammen geschwindigkeit und ihre Auftretens zeit wurden bestimmt (Abb. 4).
Abb. 3 Zeitliche Entwicklung der Flammen höhe (links) und der Flammen ausbreitung geschwindigkeit (rechts) unter verschiedenen Versuchs bedingungen
Abb. 4 Spitzen geschwindigkeit der Flammen ausbreitung (links) und die entsprechende Zeit bis zur Spitze (rechts) unter verschiedenen Versuchs bedingungen
Die Ergebnisse zeigen, dass die Flammen ausbreitung geschwindigkeit mit der Methan konzentration signifikant zunimmt und ein Maximum von 9,5 Vol.-% erreicht. Insbesondere wird die Spitzen flammen geschwindigkeit von 35,08 m/s unter der Bedingung von 9,5 Vol. % Methan und 50g/m³ Kohle konzentration erreicht.
Es ist wichtig zu betonen, dass diese Parameter direkt aus zeit aufgelösten Bilddaten erhalten und nicht aus Drucks ignalen abgeleitet werden, was die Mess genauigkeit und Zuverlässigkeit erheblich verbessert.
Die genaue Quant ifizierung der Flammen ausbreitung unter streicht weiter die entscheidende Rolle der Hoch geschwindigkeit kamera in der Explosions dynamik forschung, insbesondere bei Sicherheits anwendungen im Kohlebergbau.
3.3 Merkmale der Druckent wicklung
Die Druckent wicklung unter verschiedenen Bedingungen ist in Abb. 5 dargestellt. Der maximale Explosions druck zeigt einen nicht monotonen Trend mit einer Methan konzentration von 9,5 Vol. %.
Dieser Trend steht im Einklang mit dem verbesserten Flammen ausbreitung verhalten, das in Hoch geschwindigkeit kameras beobachtet wird, was darauf hinweist, dass diese Konzentration den optimalen Verbrennungs bedingungen entspricht.
Die Zugabe von Kohlenstaub zeigt einen doppelten Effekt: Sie fördert die Verbrennung bei niedrigeren Methan konzentrationen durch Freisetzung flüchtiger Stoffe, während sie bei höheren Methan konzentrationen die Verbrennung aufgrund der Sauerstoff konkurrenz unterdrückt.
Insgesamt hat die Methan konzentration einen größeren Einfluss auf die Verpuffung eigenschaften als die Kohle konzentration, was bestätigt, dass Gasphase reaktionen den Hybrid-Deflagrations prozess dominieren. Diese Schluss folgerung steht im Einklang mit dem Flammen verhalten der Hoch geschwindigkeit kamera.
Abb. 5 Druckent wicklung während der Verpuffung von Methan-Kohlenkohle-Hybriden unter unterschied lichen Methan-und Kohle konzentrationen
Diese Studie untersucht systematisch das Vermehrung verhalten und die Katastrophen mechanismen der Verpuffung von Methan-pulverisierten Kohle hybriden durch integrierteHochgeschwindigkeits-BildgebungUnd Multi-Parameter-Analyse.
(1)Hoch geschwindigkeit kameraErmöglicht die direkte Visual isierung der Flammens trukturent wicklung und enthüllt einen mehrstufigen Ausbreitung prozess von der sphärischen Expansion zur finger artigen Entwicklung und letztendlich zur Instabilität der Flammenfront, wodurch eine visuelle Beweis kette für die Verpuffung geschaffen wird.
(2) Die maximale Flammen ausbreitung geschwindigkeit liegt bei 9,5 Vol.-% Methan und erreicht 35,08 m/s unter der Bedingung von 9,5 Vol.-% Methan und 50g/m³ Kohle konzentration.
(3) Die Druckent wicklung steht im Einklang mit dem Flammen ausbreitung verhalten, und die Methan konzentration spielt im Vergleich zur Kohle konzentration eine dominierende Rolle, was auf eine gasphase kontrollierte Deflag ration hinweist.
(4)Hoch geschwindigkeit kameraIst nicht nur ein Diagnose werkzeug, sondern auch eine kritische Methode zur genauen Messung von Flammen ausbreitung parametern und zur mecha nis tischen Interpretation der hybriden Deflag ration. Die Integration in sicherheits technische Systeme ist für die Verbesserung der Gefahren vorhersage und der Explosions präventions strategien von entscheidender Bedeutung.
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