激波誘導瓦斯爆炸的動力學特性及影響因素*

梁運濤,曾 文

(1.煤炭科學研究總院沈陽研究院煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 沈陽110016;2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室,天津300072)

1 引 言

礦井瓦斯爆炸是煤礦災害中的一類重大惡性事故。在我國隨著煤炭產量逐年提高,國民經濟對于煤炭能源的需求越來越大,近年來煤礦瓦斯爆炸事故呈上升趨勢,每年都有死亡近百人的惡性事故發生[1-2]。瓦斯爆炸在瓦斯濃度分布、引爆方式和強度極限、空間幾何特性及尺寸效應等條件具備后,由爆燃過程轉變為爆轟過程[3]。瓦斯爆轟對煤礦礦井的破壞效應要比爆燃大得多,原因在于爆轟會出現沖擊波,爆溫、爆壓和爆速的量級較高。氣相爆轟波的傳播是由于前驅激波壓縮和加熱未燃氣體,發生迅速的化學反應;而化學反應釋放的能量又用來供給激波的傳播。同時,爆轟過程中化學反應是有限速率的,在誘導陣面和能量釋放區之間存在誘導區[4]。對激波誘導爆炸性燃料點燃過程的深入研究,從安全角度來看有著十分重要的意義[5-6]。實驗研究一直是爆炸事故過程的規律和機理研究的基本手段。與實驗相比,數值模擬則具有快速、經濟的優點,而且隨著計算機技術和計算流體力學理論的不斷發展,數值仿真的精度和經濟性還在不斷提高,已經成為對爆炸過程進行重現和研究的重要手段[7-8]。

本文中,對激波誘導瓦斯爆炸過程中溫度、壓力的變化歷程、氣相爆轟波的傳播速度、反應物摩爾分數、促使瓦斯爆炸的自由基摩爾分數及瓦斯爆炸后部分有毒氣體摩爾分數的變化進行詳細分析;同時,對影響激波管中瓦斯爆炸的動力學特性及部分有毒氣體摩爾分數變化的因素進行分析,為礦井安全設計、防控瓦斯爆炸提供參考。

2 物理模型

主要對激波管中激波誘導瓦斯爆炸過程的動力學特性進行分析。激波管是一種廣泛應用于分析可反應氣體的化學動力學行為特性的實驗器材[9]。在激波管中,通過1 層薄膜把整個管道分為高壓區域(誘導氣體)與低壓區域(可反應氣體)。當高壓氣體發生爆炸時將形成沖擊波(激波),沖擊波沖破薄膜,向可反應氣體方向傳播,提高溫度和壓力,誘發化學反應,從而發生爆炸。激波管的物理模型如圖1,圖中us 為沖擊波速度,激波管右側為未反應混合氣,激波管左側為激波過后已反應或爆炸氣體。

3 數學模型

圖1 激波管示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shock tube

假設激波管中的氣體流動為絕熱,同時,忽略橫向截面上與質量擴散、熱傳導及粘度影響相關的輸運現象。一維流動的連續性方程、組分方程、動量方程和能量方程分別為[10]

其中

邊界條件采用層流邊界條件

簡要計算流程如下:先由CHEM KIN Ⅲ程序包中的CHEM KIN IN TERPRETE R 程序塊讀入化學反應詳細機理和熱力學數據,生成CHEM KIN.ASC 輸出文件,然后用S HOCK 主程序調用該輸出文件和另一個輸入文件,該輸入文件為計算模型的初始計算條件和計算迭代的設置,進行控制方程的求解,最后生成一輸出文件。其中SHOCK 中對剛性的常微分方程的求解主要調用了求解器LSODE。

4 化學反應機理

計算采用的甲烷燃燒化學動力學詳細機理見文獻[11],包括53 種組分、325 個反應。這個機理得到了大量的驗證,基本與實驗結果相吻合。表1 列出了部分關鍵反應基元步。

表1 瓦斯爆炸化學反應詳細機理(部分反應基元步)Table 1 The detailed reaction mechanisms of gas explosion

5 計算結果與分析

瓦斯爆炸發生的3 個條件為[12]:(1)甲烷與空氣混合氣體中,甲烷的體積分數為0.04 ～0.16;(2)氧氣體積分數大于0.12;(3)高溫熱源(溫度高于650 ℃)存在的時間大于瓦斯的引火感應期。在本文計算中,利用激波提供能量來替代高溫熱源。激波管中混合氣初始條件分別為:T0=300 K,p0=0.6 kPa,φCH4=0.10,φO2=0.18,φN2=0.72,us=2.8 km/s,激波管直徑d=3.0 cm。

5.1 激波誘導瓦斯爆炸的動力學特性分析

圖2 顯示了激波誘導瓦斯爆炸過程中溫度、沖擊波傳播速度的變化歷程。從圖2(a)可以看出,沖擊波到達初始混合氣瞬間釋放出巨大能量,使初始混合氣溫度從初始的300 K 驟然上升為2 950 K左右,從而引發初始混合氣的化學反應。當反應時間為2 μs 左右時,由于支鏈反應所生成的活化中心摩爾分數越來越高(見圖3),從而引發瓦斯爆炸,溫度急劇上升。當激波管中的甲烷消耗完全后(見圖3),即反應時間在5 μs 左右時,溫度達到峰值,為3 400 K 左右。隨著反應時間的繼續延長,溫度基本維持穩定。當沖擊波到達初始混合氣時,激波尾部將以音速反向進入高壓混合氣(圖1 中的反應產物區),從而降低激波在管中的傳播速度,如圖2(b)所示。當初始混合氣被引爆的瞬間,激波的傳播速度驟然增加,在極短的時間內達到峰值,然后雖略有下降,但下降幅度較小。

圖3 顯示了激波誘導瓦斯爆炸過程中反應物摩爾分數及促進瓦斯爆炸的活化中心摩爾分數的變化歷程。從圖3(a)可以看出,沖擊波到達初始混合氣后,提高了溫度與壓力(見圖2),誘發了化學反應,從而引發爆炸。在此過程中甲烷與氧氣摩爾分數迅速降低,甲烷在5 μs 時已由初始的0.01 降低到接近為零,氧氣在10 μs時已由初始的0.18 低為0.02 左右,然后維持穩定。沖擊波到達初始混合氣后,甲烷將發生支鏈反應,生成HO 2、H、O 等自由基,而H 自由基與O 自由基進一步生成OH 自由基。這些自由基活性很大,在反應鏈中形成活化中心,而活化中心摩爾分數是引發瓦斯爆炸的關鍵環節。從圖3(b)可以看出,在瓦斯爆炸前的瞬間,H 自由基與O 自由基摩爾分數急劇上升,從而形成摩爾分數極高的活化中心,引發瓦斯爆炸。

圖2 溫度、沖擊波傳播速度的變化歷程Fig.2 The variational currents of temperature and the velocity of shock w ave

圖3 反應物、活化中心摩爾分數的變化歷程Fig.3 The variational currents of mole fractions of reactants and active centers

圖4 顯示了激波誘導瓦斯爆炸過程中部分致災性氣體的生成與演變歷程。

NO 是一種極不穩定的氣體,在常溫下能很快與空氣中的氧化合成。當NO 2 與CO 共存時,毒性更強。NO 2 對人體的毒害與摩爾分數和作用時間有關。的摩爾分數達到6×10-5時,咳嗽、胸部作痛;達到10-4時,惡心、嘔吐;達到2.5×10-4時,短時間內死亡。從圖4(b)可以看出,瓦斯爆炸后NO 的摩爾分數達到了10-3左右,NO 2 的摩爾分數則在10-6左右。

圖4 部分致災性氣體摩爾分數的變化歷程Fig.4 The variational currents of mole fractions of catastrophic gases

5.2 初始壓力對激波誘導瓦斯爆炸的動力學特性的影響

瓦斯爆炸前混合氣初始壓力是一個重要影響參數。在實際過程中,通常突然發生大面積的瓦斯冒出,瓦斯的壓力較大,并且巷道比較狹窄,通風條件不好,那么意味著巷道中瓦斯空氣混合氣體的壓力和體積分數升高,初始壓力發生了變化,通常大于0.1 M Pa,有時局部達0.5 M Pa 左右。因此,忽略初始壓力研究瓦斯爆炸過程必然會帶來誤差,初始壓力對瓦斯爆炸的發生和傳播是不可忽略的因素。

圖5 顯示了初始壓力對激波誘導瓦斯爆炸過程中溫度、壓力變化歷程的影響。從圖5(a)可以看出,隨著瓦斯爆炸前初始壓力的提高,瓦斯引爆時間將縮短,爆炸后溫度將降低。當初始壓力為0.4 kPa 時,瓦斯引爆時間為3 μs 左右,而當初始壓力提高到0.8 kPa 時,瓦斯引爆時間縮短為1 μs 左右。初始壓力提高0.4 kPa,瓦斯引爆時間將縮短2 μs左右。同時,如圖5(b)所示,隨著初始壓力的提高,爆炸后壓力將急劇升高。當初始壓力為0.4 kPa 時,爆炸后壓力為30 kPa 左右,當初始壓力為0.8 kPa 時,爆炸后壓力上升為60 kPa 左右。

圖5 初始壓力溫度、壓力變化歷程的影響Fig.5 The effects of initial pressure on the variational currents of temperature and pressure of shock w ave

圖6 初始壓力對反應物、活化中心摩爾分數變化歷程的影響Fig.6 The effects of initial pressure on the variational currents of mole fractions of reactants and active centers

圖6 顯示了初始壓力對激波誘導瓦斯爆炸過程中反應物及部分活化中心摩爾分數變化趨勢的影響。從圖6(a)可以看出,隨著初始壓力的提高,甲烷完全消耗所需的反應時間將縮短。當初始壓力為0.4 kPa 時,甲烷完全消耗的反應時間為9 μs 左右,而當初始壓力提高到0.8 kPa 時,甲烷完全消耗的反應時間為4 μs 左右。如圖6(b)所示,隨著初始壓力的提高,活化中心摩爾分數急劇升高的反應時間得到提前,同時,當活化中心摩爾分數達到穩定時,初始壓力越高,活化中心摩爾分數也越高,瓦斯爆炸也更加快速與劇烈。

圖7 顯示了初始壓力對激波誘導瓦斯爆炸過程中部分致災性氣體摩爾分數變化趨勢的影響。從圖可以看出,隨著初始壓力的提高,CO、NO 摩爾分數急劇升高的反應時間將縮短,爆炸后CO 摩爾分數將有所降低,但NO摩爾分數將有所提高。

圖7 初始壓力對部分致災性氣體摩爾分數變化歷程的影響Fig.7 The effects of initial pressure on the variational currents of mole fractions of catastrophic gases

5.3 初始混合氣組成對激波誘導瓦斯爆炸的動力學特性的影響

圖8 顯示了初始混合氣組成對激波誘導瓦斯爆炸過程中溫度、壓力變化歷程的影響。從圖可以看出,隨著混合氣中甲烷體積分數的降低,瓦斯引爆時間將縮短,爆炸后溫度將下降,但是,壓力將有所升高。當甲烷的體積分數為0.12 時,引爆時間為3 μs左右;當甲烷的體積分數為0.08時,引爆時間為1 μs 左右。

圖8 初始混合氣組成對溫度、壓力變化歷程的影響Fig.8 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of temperature and pressure of shock w ave

圖9 初始混合氣組成對反應物、活化中心摩爾分數變化歷程的影響Fig.9 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of mole fractions of reactants and active centers

圖9 顯示了初始混合氣組成對激波誘導瓦斯爆炸過程中反應物、活化中心摩爾分數變化歷程的影響。從圖9(a)可以看出,隨著混合氣中甲烷體積分數的降低,甲烷完全消耗所需的反應時間將縮短。當甲烷的體積分數為0.12 時,甲烷完全消耗的反應時間為7 μs 左右;當甲烷的體積分數為0.08 時,甲烷完全消耗的反應時間為5 μs 左右,縮短了2 μs左右。如圖9(b)所示,隨著混合氣中甲烷體積分數的降低,O 自由基摩爾分數急劇上升的反應時間將縮短,同時,摩爾分數也將得到大幅提高。

圖10 顯示了初始混合氣組成對激波誘導瓦斯爆炸過程中部分致災性氣體摩爾分數變化歷程的影響。從圖10(a)可以看出,隨著混合氣中甲烷體積分數的降低,瓦斯爆炸后CO 的摩爾分數將大幅降低。當甲烷的體積分數為0.12 時,爆炸后CO 的摩爾分數為0.09 左右;當甲烷的體積分數為0.08 時,爆炸后CO 的摩爾分數為0.05 左右,降低了0.04。如圖10(b)所示,隨著混合氣中甲烷體積分數的降低,爆炸后NO 摩爾分數將升高。

圖10 初始混合氣組成對部分致災性氣體摩爾分數變化歷程的影響Fig.10 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of mole fractions of catastrophic gases

6 結 論

(1)沖擊波到達初始混合氣后,誘發瓦斯發生爆炸的時間為2 μs 左右;當反應時間為20 μs 時,CO的摩爾分數為0.07 左右,CO2的摩爾分數為0.02 左右,NO 的摩爾分數為10-3左右,而NO2的摩爾分數則在10-6左右。

(2)在瓦斯爆炸前的瞬間,H 自由基與O 自由基摩爾分數急劇上升,從而形成摩爾分數極高的活化中心,引發瓦斯爆炸。

(3)隨著瓦斯爆炸前混合氣初始壓力的提高,瓦斯引爆時間縮短。初始壓力提高0.4 kPa,瓦斯引爆時間縮短2 μs 左右。但是爆炸后溫度降低,壓力升高。同時,反應結束時CO 的摩爾分數度降低,NO 的摩爾分數則提高。

(4)隨著爆炸前初始混合氣中甲烷體積分數的降低,瓦斯引爆時間縮短,爆炸后溫度下降,但是,壓力有所升高。混合氣中甲烷體積分數降低0.04,引爆時間將縮短2 μs。同時,反應結束時CO 的摩爾分數降低,NO 的摩爾分數則提高。

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