爆炸沖擊波揚塵過程中的顆粒動力學特征

林柏泉,孫豫敏,朱傳杰,江丙友,劉 謙,洪溢都

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

爆炸沖擊波揚塵過程中的顆粒動力學特征

林柏泉1,2,孫豫敏1,2,朱傳杰1,2,江丙友1,2,劉 謙1,2,洪溢都1,2

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

為研究爆炸揚塵過程中粉塵顆粒的運動特征,通過紋影儀以及高速攝像機,對粉塵的運動軌跡及其水平、縱向速度進行了分析。結果表明:粉塵顆粒的運動軌跡大體呈拋物線型,其上升過程中受到重力、氣流曳引阻力等的作用,速度逐漸降低直至峰值高度,隨后在重力作用下沉于管道底部;水平速度vx和縱向速度vy的發展趨勢都可用指數函數描述;一定壓力下,顆粒的初始位置對其軌跡有影響;沖擊波前方的顆粒,受前方粉塵層的阻礙以及沖擊波壓力損失的影響,上揚過程較緩慢,最大揚塵高度減小,揚塵距離增大;此外,揚塵距離、vx和vy隨壓力的增大而增大,而最大揚塵高度減小。

瓦斯;爆炸;粉塵顆粒;揚塵

近年來,煤礦瓦斯爆炸以及火災事故時有發生,造成大量人員傷亡和財產損失。特別是誘發煤塵參與爆炸后,破壞強度大大增加,危害極大。實際上粉塵爆炸所需的點火能量與瓦斯相比要大很多,很難獨立引爆,往往是先發生瓦斯爆炸,爆炸沖擊波誘導的流場運動卷吸巷道內的沉積煤塵,從而形成可燃粉塵云,在瓦斯爆炸產生的高溫高壓作用下發生爆炸。為此,國內外學者對爆炸揚塵的特征及基本規律進行了大量的研究。

最早關于揚塵的研究是在19世紀60年代,Gerrard[1]利用長4 m、截面15.2 mm×3.8 mm的激波管研究固體顆粒在沖擊波作用下的揚起過程。Fletcher和Kauffman等[2-5]也進行了一系列的實驗研究,獲得了一些沖擊波的揚塵過程。此外,Suzuki Tateuki等[6]通過研究發現粉塵的揚塵高度與顆粒大小存在密切關系。而Boiko等[7]通過研究發現揚塵的起因是顆粒間相互碰撞。岑可法等[8]專門針對粉塵顆粒進行了受力分析。也有一些學者在兩相流以及揚塵過程方面進行了大量的數值模擬研究。Fedorov等[9-10]利用數值模擬對沖擊波的揚塵過程進行了研究,對近壁面流的速度特征形成了一定認識。劉丹等[11]應用連續相、顆粒相計算方法對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵參與爆炸的傳播過程進行數值模擬。宮廣東等[12]在管道中進行煤塵瓦斯爆炸實驗。朱傳杰等[13]研究了沉積粉塵密度、波前流速、粉塵粒徑等對揚塵特征的影響。龍天渝[14]在實驗驗證的基礎上針對激波后粉塵起揚的過程進行了數值模擬,為進一步研究粉塵顆粒運動規律提供了依據。

然而,以往的研究都是基于揚塵機理方面的實驗研究以及數值模擬,而針對煤塵運動軌跡以及運動速度的研究較少。本文在前人研究的理論基礎上,運用紋影儀以及高速攝像機對粉塵的運動特征進行研究,以期對揚塵過程的理論研究提供參考。

1 單顆粒受力分析

單個煤塵顆粒的受力情況是影響揚塵軌跡以及揚塵效果的重要因素。單顆粒受到的作用力主要有重力、Saffman力、Magnus力、虛假質量力、黏附力、Basset力和升浮力等。其中,黏附力、升浮力、Basset力和虛假質量力與其他力相比較小,對粉塵軌跡的影響可忽略不計。除此之外,各煤塵顆粒之間相互碰撞也會使煤塵顆粒額外受力,空氣阻力也會影響煤塵的運動。單顆粒的受力分析如圖1所示。

圖1 單顆粒受力分析Fig.1 Force analysis of a single dust particle

(1)重力。重力G始終作用在顆粒上,其主要作用是阻礙顆粒揚起。

式中,mp為顆粒質量;g為重力加速度;ρp為顆粒密度;Vp為顆粒體積。

(2)Saffman力。固體顆粒在有速度梯度的流場中運動時,兩側流速不同會導致顆粒產生一個作用力,該力由低速區指向高速區,即為Saffman力,其作用是將顆粒托起。由文獻[13]可知Saffman力可表示為

式中,B為實驗常數,此處取1;ρ1為氣相密度;η為氣相動力黏度;Rd為顆粒半徑;v1為氣相速度;v2為固相速度;?為哈密頓算子。

(3)Magnus力。Magnus力是一個與流動方向垂直的、由逆流側指向順流側方向的力,它是固體顆粒在氣相中旋轉時產生的。該力可以托起流場中的顆粒。由文獻[13]可知Magnus力可表示為

式中,A為經驗常數。

(4)相互碰撞。粒子之間存在著相互碰撞,這種運動會對顆粒產生一個附加加速度,是粉塵額外受力。本文采用文獻[11]中所述的公式來計算粒子之間相互碰撞所產生的附加力Fcol。

式中,C為經驗常數;d為顆粒直徑;u2和v2分別為固相在x,y方向速度分量;ρ2為固相密度。

(5)空氣阻力。也稱氣流曳引阻力,是指氣固兩相運動中,氣體對固體顆粒的阻力。采用文獻[8]中所述公式來計算。

式中,Ap為顆粒在垂直于氣流流動方向上的投影;Cd為黏性阻力系數。

2 實驗方法及儀器

2.1 實驗設備及方法

由于實際爆炸過程中,火焰的存在使得視場較亮,很難捕捉單顆粒的運動軌跡,因此,以往類似的實驗都是采用高壓氣體來模擬爆炸沖擊波。本實驗利用電磁閥來控制高壓干空氣,實現沖擊效應,實測的模擬沖擊波曲線如圖2所示(以1.0 MPa為例)。

圖2 利用瞬態高壓氣體模擬獲得的沖擊波(1.0 MPa)Fig.2 Shock wave obtained from high-pressure gas(1.0 MPa)

實驗系統示意如圖3所示。通過高壓氣體模擬爆炸沖擊波將位于可視化窗口內的煤塵揚起,并通過紋影儀以及高速攝像機拍攝煤塵揚起的整個過程,并對煤塵顆粒的運動軌跡進行跟蹤,分析并研究其運動特征。本文選取3種沖擊波壓力來模擬不同爆炸強度,分別為0.2,0.6和1.0 MPa。

圖3 實驗系統示意Fig.3 Schematic diagram of experiment apparatus

2.2 實驗材料

由文獻[13]可知,煤塵粒徑較大時受重力的影響較大,揚塵效果不明顯。煤塵粒徑較小時,其在巷道空間能夠較好的分散,揚塵效果較好。因此,為取得較好的揚塵效果,本文采用的中位徑為57.01 μm的煤塵作為研究對象。利用BT-9300HT型激光粒度分布儀對所選煤塵進行粒徑分析,其粒徑分布及分散度如圖4所示。煤塵的體積平均粒徑為72.54 μm,面積平均粒徑為14.12 μm,密度為1.4 g/cm3,遮光率為14.41%,比表面積為0.15 m2/g。從x= 12.0 cm(x為顆粒的水平坐標)開始鋪設煤塵層,厚度為1 mm。

3 實驗結果及分析

3.1 沖擊波揚塵過程

在壓力1.0 MPa下,利用高速攝像機及紋影儀拍下的揚塵過程(圖5)。初始階段,沉積煤塵前端在氣流擾動,在Saffman力及Magnus力的作用下向空中拋灑,在重力的作用下逐漸減緩隨后開始下降,沉積于后方煤塵層上形成“煤塵團簇”。該“煤塵團簇”較為疏松,其堆積密度較小,顆粒上、下兩側形成較大壓差,Saffman力起主導作用,顆粒進一步向空中卷揚。在此過程中,沉積煤塵前段的煤塵不斷被拋向右上方,與前方煤塵混合進一步卷揚。最后,煤塵全部被拋到空中。氣流擾動逐漸減弱,重力起主導作用,煤塵顆粒逐漸沉積于管道底部。

圖4 煤塵粒徑分布曲線Fig.4 Particle size distribution curves

圖5 揚塵過程示意Fig.5 Schematic diagram of dusting lifting process

3.2 顆粒運動軌跡及速度特征

3.2.1 單顆粒運動軌跡

圖6為單顆粒的運動軌跡(1.0 MPa,x= 15.3 cm)?？芍?顆粒先緩慢上升后明顯下降,其運動軌跡大體呈拋物線型。整個運動過程中,最大揚塵高度為6.5 cm,揚塵距離為7.8 cm。在揚塵的初始階段,沉積煤塵顆粒在氣流作用下開始卷揚。由于其處于有速度梯度的流場之中,顆粒兩側的流速不同會產生Saffman力,另外,顆粒在流場之中旋轉會產生Magnus力,在這兩個力作用下,顆粒開始上升。在上升的過程中,由于氣流擾動逐漸減弱以及重力、氣流曳引阻力的作用,其速度逐漸降低,導致Saffman力和Magnus力越來越小。到達峰值高度時,二者的作用與重力持平。隨后在重力的作用下,顆粒開始沉降,最后煤塵顆粒沉積于管道底部。

圖6 單顆粒運動軌跡Fig.6 Pathway of a single particle

3.2.2 單顆粒運動速度分析

圖7為圖6中煤塵顆粒的速度變化曲線,vx,vy分別為顆粒的水平速度、縱向速度?？芍?vx在揚塵初始時刻較大,隨后一直減小,最后接近0,變化趨勢呈指數函數關系。vy的發展趨勢與vx類似,也可用指數函數描述。初始時刻其方向向上,速度較大,隨著沖擊波作用力的減小,重力發揮的作用逐漸顯現,使得粒子運動呈沉降趨勢,并沿重力方向加速。在76 ms時,粒子拋升高度達到最大,vy=0。隨后其方向變為向下,速度值也逐漸增加直至顆粒沉積于管道底部。

圖7 單顆粒運動速度Fig.7 Velocity of a single particle

3.3 不同位置處煤塵顆粒運動特征

實際沖擊波揚塵過程中,由于沖擊波壓力在管道截面上分布的不均衡性、沉積煤塵顆粒間的碰撞擠壓作用以及顆粒間物性參數的細微差異,都使得煤塵顆粒在被拋灑到空間內的運動軌跡和速度存在差異,這也是煤塵可以被相對均勻地拋灑到管道內的前提。圖8為在1.0 MPa的壓力下,初始位置x分別為12.7,13.3,13.6,13.9 cm的煤塵顆粒(顆粒1～4)的運動軌跡?？梢?4個顆粒的最大揚塵高度分別為9.9,9.4,6.5和4.4 cm,顆粒運移距離分別為5.35, 6.32,7.76和9.05 cm。其運動軌跡趨勢雖然都呈拋物線型,但存在較大差別:處于沖擊波前方的粉塵顆粒,由于前方煤塵層的阻礙作用,沖擊波壓力存在損失,進而Saffman力變小,其上揚的過程較緩慢,最大揚塵高度也隨之減小,但揚塵距離增大。

圖8 不同位置煤塵顆粒的運動軌跡Fig.8 Pathway of particles at different positions

圖9為圖8中4個煤塵顆粒的速度變化情況。根據顆粒運動速度v與時間t的關系進行曲線擬合,即指數函數關系v=b+ce-at,式中b,c為擬合系數;a為速度衰減系數,其大小反映了煤塵顆粒速度衰減趨勢的強弱。由圖9可知,4個煤塵顆粒vy衰減系數a的值分別為52.521,31.948,16.456和15.962,其隨著粉塵初始位置的后移而減小。通過分析發現vx也有類似的趨勢。

此外,在整個揚塵的過程中,vx和vy都比較小,最高為6.7 m/s(x=12.7 cm處)。在揚塵初期(60 ms前),vx和vy較大,且其下降趨勢較陡。由于沖擊波是產生煤塵顆粒水平速度的主要因素,隨著沖擊波的衰減以及揚塵過程的發展(60～230 ms),二者的變化趨勢變緩,并趨于0。與此同時,vy由于受重力的影響,在揚塵初期呈逐漸降低的趨勢,降至0后又逐漸增大,并最終加速沉降到管道底部。

3.4 不同壓力對煤塵軌跡的影響分析

圖10為0.2,0.6和1.0 MPa壓力下,初始位置x=12.0 cm處煤塵顆粒的運動軌跡?？芍?隨著沖擊波壓力的增大,揚塵距離變大,最大揚塵高度變小。這是由于沖擊波沿管道水平方向傳播,壓力越高,波前氣流在水平方向速度越大[15],因此,壓力的增大會使粒子水平運移距離增大,同時會抑制顆粒在垂直方向上的拋升。

由前述可知,揚塵高度隨著煤塵初始位置的后移而減小。由圖10可知,1.0 MPa下x=12.0 cm處的煤塵最大揚起高度僅為6 cm,該高度即為煤塵層揚起的最大高度,其不足以使巷道底部的煤塵完全分散到空氣中。如果實際巷道內部設備上存在積塵,則完全可能被拋灑到空氣中,因此,其危害性相比巷道底部的沉積粉塵危害性更大。

圖11為不同壓力下粉塵顆粒運動速度變化情況以及vx和vy最大值隨著沖擊波壓力的變化情況。變化趨勢與前類似。對于vx,在0.2,0.6和1.0 MPa壓力下,速度衰減系數a的值分別為31.153,38.911和56.818,呈逐漸增大趨勢。3個壓力下vy表達式中的系數a分別為42.735,47.619和55.556。此外,由圖11(d)可知,0.2,0.6和1.0 MPa壓力下水平最大速度分別為1.29,2.03,2.33 m/s,縱向最大速度分別為3.32,3.47,3.64 m/s。速度隨著沖擊波壓力的增大而增大,該結果與文獻[16]獲得的速度變化趨勢是一致的。

圖9 粉塵顆粒速度Fig.9 Particle velocity

圖10 不同壓力下粉塵顆粒的運動軌跡Fig.10 Pathways of particles under different pressures

圖11 不同壓力下煤塵顆粒的運動速度Fig.11 Velocity of particles under different pressures

4 結 論

(1)顆粒運動軌跡大體呈拋物線型,vx和vy的發展趨勢都可用指數函數描述。其上升過程中受到重力、氣流曳引阻力等的作用,速度逐漸降低,直至峰值高度。隨后,顆粒在重力的作用下沉降,最終沉積于管道底部。

(2)同一壓力下,處于沖擊波前方的顆粒,由于前方煤塵層的阻礙作用以及沖擊波壓力損失,上揚過程較緩慢,最大揚塵高度也隨之減小,但揚塵距離增大。vx和vy都符合指數函數v=b+ce-at,且速度曲線隨著a值的增大變陡。

(3)不同壓力下,揚塵軌跡及速度變化曲線與前類似。隨著沖擊波壓力增大,揚塵距離變大,最大揚塵高度變小。vx和vy隨著沖擊波壓力的增大而增大。

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Dynamic parameters of dust lifting process behind shock waves

LIN Bai-quan1,2,SUN Yu-min1,2,ZHU Chuan-jie1,2,JIANG Bing-you1,2,LIU Qian1,2,HONG Yi-du1,2

(1.School of Safety Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to find out the movement characteristics of dust particles,a schlieren system and a high-speed camera were used to study the pathway of dust particles and its horizontal and vertical velocity.The results show that the pathway of dust particles has a parabola shape,which rises under the function of gravity and air-drag.The particle velocity decreases before it reaches its peak height during this process.Then the particle settled down at the bottom of pipes under gravity.The development trend of the horizontal velocity vx,and the vertical velocity vy,can be described as exponential function.The initial positions of particles have a certain influence on its pathway under different pressures.The rising process of particles is slower before shock wave in the front of dust layers due to the block of dust layers and pressure loss of shock waves.The height of dust lifting decreases with the increase of distance.In addition,the dust lifting distance,vxand vyincreased with the pressure,while the dust lifting heights decrease.

gas;explosion;dust particle;dust lifting

TD712;TD714

A

0253-9993(2014)12-2453-06

2013-12-30 責任編輯:張曉寧

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51204174);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2012QNB01)

林柏泉(1960—),男,福建龍巖人,教授,博士。Tel:0516-83590593,E-mail:lbq21405@126.com

林柏泉,孫豫敏,朱傳杰,等.爆炸沖擊波揚塵過程中的顆粒動力學特征[J].煤炭學報,2014,39(12):2453-2458.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1925

Lin Baiquan,Sun Yumin,Zhu Chuanjie,et al.Dynamic parameters of dust lifting process behind shock waves[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2453-2458.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1925