密閉空間內(nèi)障礙物對(duì)瓦斯爆炸傳播影響研究*

韓 蓉,劉 劍,高 科，賴鑫瓊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

密閉空間內(nèi)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波在壁面上來回反射，相互疊加，促使超壓峰值增大[1]，而障礙物的存在同樣會(huì)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨▔毫Ξa(chǎn)生極大的影響[2]，一旦發(fā)生爆炸，將會(huì)對(duì)人員安全造成極大的威脅。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)密閉環(huán)境以及可燃?xì)怏w在放置障礙物的條件下其火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨▔毫Φ淖兓?guī)律進(jìn)行了大量研究。朱傳杰等[3]研究了爆炸波在封閉型系統(tǒng)的沖擊和振蕩特征及其特征參數(shù)變化規(guī)律；陳東梁等[4]利用高速紋影攝像技術(shù)記錄了密閉管道中不同當(dāng)量比的甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳎缓蚣t霄等[5]應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件AutoReaGas研究了小環(huán)境的密閉空間內(nèi)初始?jí)毫?duì)預(yù)混合可燃性的影響規(guī)律；徐景德、楊庚宇[6]對(duì)瓦斯爆炸傳播過程中障礙物的激勵(lì)效應(yīng)的物理機(jī)制進(jìn)行了分析；Cieearelli[7]，尉存娟[8]等研究了改變障礙物的間距對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫Φ挠绊懬闆r；Johansen[9]，朱建華[10]研究了障礙物的阻塞比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?；秦澗[11]，王成[12]，Ibrahim[13]等對(duì)不同形狀的障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響進(jìn)行了研究；袁宏甦[14]，楊春麗[15]研究了障礙物的數(shù)量對(duì)瓦斯爆炸沖擊波壓力的影響。

雖然專家學(xué)者大量研究了密閉空間以及障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響規(guī)律，但對(duì)密閉空間內(nèi)障礙物排列方式對(duì)火焰及沖擊波傳播規(guī)律的影響尚需進(jìn)一步研究。煤礦采空區(qū)是由大塊度巖石組成，巖塊自由堆積，形成大的孔隙和空洞錯(cuò)綜連接，由于采空區(qū)的復(fù)雜性，無法建立相對(duì)應(yīng)的模型?，F(xiàn)將這些巖石簡化為障礙物，通過數(shù)值模擬的方法，研究理想狀態(tài)下采空區(qū)內(nèi)障礙物的不同直徑及排列方式對(duì)火焰及沖擊波傳播規(guī)律的影響。

1 密閉空間內(nèi)瓦斯爆炸數(shù)值模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)密閉空間內(nèi)瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆炸過程合理簡化，采用的數(shù)學(xué)模型中基本方程有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分方程、湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程，分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρ為理想氣體密度；u為速度；p為壓力；T為溫度；N為組分?jǐn)?shù)；Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mi為組分i的分子量；τij為粘性應(yīng)變張量；Fj為體積力；h為焓值；Qj為熱流量矢量；Sr為輻射熱損失(瓦斯爆炸過程中Sr=0，即忽略輻射熱損失)；Se為放熱率；Gk是由層流速度梯度所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM是由于在可壓縮湍流中過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1，C2是常量；αk和αε是湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程的湍流Prandtl數(shù)；Rε為湍流動(dòng)能耗散率方程的修正項(xiàng)。

1.2 瓦斯爆炸燃燒模型

燃燒模型采用兩步反應(yīng)模型，反應(yīng)1、反應(yīng)2分別為：

CH4+O2→CO+H2O+Q1

CO+O2→CO2+Q2

1.3 幾何模型

方形狹長密閉空間的結(jié)構(gòu)可以簡化為圖1～2所示的幾何模型，模型采用長度為30 m的光滑密閉方管，壁厚0.05 m，方管截面為0.5 m×0.5 m。模型內(nèi)均勻填充球體模擬障礙物，球心之間間隔為0.2 m。點(diǎn)火位置在左側(cè)壁面中心處，密閉方管內(nèi)充滿9.5%濃度的瓦斯氣體，點(diǎn)火前混合氣體的溫度為20℃，壓力為100 KPa。

為了測(cè)得瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣燃皼_擊波的變化規(guī)律，主要對(duì)以下3種方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。第1種方案：無填充的密閉方管；第2種方案：填充有球體障礙物的密閉方管模型，球體障礙物同位排列，其中模型內(nèi)球體障礙物的直徑分別為0.1，0.07，0.04，0.02 m，如圖1所示；第3種方案：選取直徑為0.07 m的球體障礙物作為研究對(duì)象，球體障礙物錯(cuò)位排列，與球體直徑為0.07 m的同位排列情況進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

2 密閉方管模型內(nèi)火焰的傳播規(guī)律

為了研究密閉方管模型內(nèi)火焰的傳播規(guī)律，分別對(duì)有無球體障礙物、球體障礙物不同的排列方式以及不同直徑3種情況數(shù)值模擬，以進(jìn)行對(duì)比分析研究。

圖3為無填充的密閉方管模型內(nèi)火焰的傳播，火焰陣面比較光滑，呈橢圓形，與混合氣體接觸面積較小，火焰溫度較低。圖4為球體障礙物規(guī)則排列的密閉方管模型，與無填充的密閉方管模型相比火焰發(fā)生明顯變化。火焰陣面由于球體障礙物的拉伸，由橢圓形變化至鋸齒形，沿球體障礙物的間隙依次向后傳播。圖5為球體障礙物錯(cuò)位排列的密閉方管模型，可以看出火焰兩邊緣貼近上下壁面的部分溫度升高較快，中心部分溫度上升相對(duì)較慢，火焰中心向后凹陷，火焰陣面被球體障礙物分割成多個(gè)“V”字型。

圖1 同位排列的模型平面示意Fig.1 Alignment of spheres

圖2 錯(cuò)位排列的模型平面示意Fig.2 Interval alignment of spheres

圖3 無填充的密閉方管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ig.3 Flame propagation in enclosed square tube

圖4 同位排列的密閉方管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ig.4 Flame propagation in enclosed square tube with alignment of spheres

圖5 錯(cuò)位排列的密閉方管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ig.5 Flame propagation in enclosed square tube with interval alignment of spheres

圖6為球體直徑0.07 m時(shí)火焰?zhèn)鞑サ乃俣惹闆r?？梢钥闯霎?dāng)密閉方管內(nèi)有球體障礙物時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@高于無填充的密閉方管內(nèi)火焰的傳播速度。在密閉方管模型中，球體障礙物使火焰湍流強(qiáng)度加大，氣體流速增大，燃燒速度也增大，而較高的燃燒速度使湍流強(qiáng)度繼續(xù)加大，形成氣體流動(dòng)與火焰燃燒傳播之間的正反饋。在這種正反饋機(jī)制下，瓦斯爆炸的反應(yīng)速度與能量釋放速度共同增加，促使火焰的傳播速度繼續(xù)加快。由此可見，球體障礙物對(duì)瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑テ鸺?lì)作用。

圖6 模型內(nèi)火焰的傳播速度Fig.6 Flame propagation speed in the models

分別選取球體障礙物直徑為0.1，0.07，0.04，0.02 m的同位排列情況，在距離點(diǎn)火源2.1，4.1，6.1，8.1，10.1，12.1，14.1，16.1，18.1，20.1，22.1，24.1，26.1，28.1 m處進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)選取無填充的密閉方管進(jìn)行對(duì)照分析，如圖7所示。

圖7 模型內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.7 Flame propagation speed in the models

圖8 10 m處不同直徑最大火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.8 Maximum flame propagation speed at 10 m with different diameters

由圖7可以看出在無填充的密閉方管內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ケ容^平穩(wěn)且緩慢，傳播至方管前部時(shí)火焰速度達(dá)到峰值，之后傳播速率逐漸減小。當(dāng)模型內(nèi)有球體障礙物時(shí)，火焰的傳播速度發(fā)生明顯增大現(xiàn)象。在火焰?zhèn)鞑コ跏茧A段，隨著球體直徑的增大，火焰的傳播速度呈先增后減的變化規(guī)律。圖8是在距點(diǎn)火源10 m處火焰的傳播速度情況，可以看出，在球體直徑為0.07 m時(shí)，火焰的傳播速度最大。球體障礙物直徑的增加，使變形的火焰陣面在一個(gè)較大表面上消耗燃料和氧氣，導(dǎo)致熱釋放速率的增加，火焰的傳播速度也逐漸增加；當(dāng)球體障礙物直徑繼續(xù)增大時(shí)，球體障礙物之間的空間變小，火焰沒有受到充分?jǐn)_動(dòng)就遇到下一列球體障礙物使火焰加速距離變小，加速時(shí)間也變短，不利于火焰的傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?huì)下降?？梢?，不同直徑的球體障礙物對(duì)速度的激勵(lì)效應(yīng)也存在差異。

3 密閉方管模型內(nèi)沖擊波的變化規(guī)律

由圖6可知，球體障礙物對(duì)火焰的傳播有激勵(lì)效應(yīng)，因此密閉方管內(nèi)壓力也會(huì)存在一定的變化。選取球體直徑0.07 m為研究對(duì)象，在距離點(diǎn)火源1.1，5.1，9.1，13.1，17.1，21.1，25.1和29.1 m處進(jìn)行壓力的變化研究。

在無填充的密閉方管中，點(diǎn)火初期時(shí)壓力變化較小，呈緩慢上升狀態(tài)。隨著燃燒的進(jìn)行，管內(nèi)產(chǎn)生的熱量增加，壓力逐漸提高，呈震蕩特征，傳播約1.1 s時(shí)壓力達(dá)到最大值0.58 MPa，如圖9所示。如圖10和圖11所示，在2種排列方式的密閉方管模型內(nèi)，壓力均快速升高，且最大值均大于1 MPa。在同位排列的模型中，約0.2 s時(shí)壓力達(dá)到最大值1.03 MPa，約為無填充的密閉方管內(nèi)最大壓力的2倍。而在錯(cuò)位排列的模型中，0.11 s時(shí)壓力即達(dá)到最大值1.47 MPa，約為無填充的密閉方管內(nèi)最大壓力的2.5倍。圖12為模塑壓力變化速率曲線，通過圖12可以看出，無填充的密閉方管內(nèi)壓力上升速率并不明顯，其上升速率的最大值不超過0.7 MPa/s。在密閉方管模型內(nèi)，壓力上升速率增大，火焰?zhèn)鞑ブ练焦苣┒藭r(shí)，壓力上升速率達(dá)到最大值；同位排列的密閉方管內(nèi)，方管前部壓力上升平穩(wěn)，隨著火焰的傳播，壓力上升速率加快，其最大值約為無填充光滑密閉方管的60倍；在錯(cuò)位排列的密閉方管中壓力的上升速率更快，其最大值近似408 MPa/s，約為無填充密閉方管的600倍。

圖9 無填充的密閉方管內(nèi)壓力變化Fig.9 The pressure change inenclosed square tube

圖10 同位排列模型內(nèi)壓力變化Fig.10 The pressure change in alignment model

圖11 錯(cuò)位排列模型中壓力變化Fig.11 The pressure change in interval alignment model

圖12 模型內(nèi)壓力變化速率Fig.12 The rate of pressure change in models

在密閉方管模型中，隨著火焰的推移，已燃?xì)怏w溫度升高，氣體膨脹推動(dòng)未燃?xì)怏w向前傳播，形成前驅(qū)壓力波。當(dāng)火焰遇到球體障礙物時(shí)，觸發(fā)壓力波發(fā)生擾動(dòng)，使火焰前方未燃?xì)怏w的湍流強(qiáng)度加大，引起方管模型內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率和熱釋放速率的加劇，使得方管內(nèi)溫度繼續(xù)升高，沖擊波壓力也相應(yīng)增強(qiáng)。與同位排列的模型相比，錯(cuò)位排列的模型中，火焰陣面被球體連續(xù)剪切，所引起的氣流湍流程度更大，湍流再次加速火焰?zhèn)鞑ィ鰪?qiáng)氣體爆炸過程的正反饋，使得壓力上升速率更快，約為同位排列的100倍。

4 結(jié)論

1)球體障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ゴ嬖诩?lì)作用。密閉方管模型內(nèi)火焰的傳播速度遠(yuǎn)大于無填充的密閉方管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在火焰?zhèn)鞑サ某跏茧A段，無填充的密閉方管內(nèi)火焰?zhèn)鞑テ椒€(wěn)且緩慢；在同位排列的密閉方管內(nèi)，隨著球體障礙物直徑的減小，初始階段的火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏仍龊鬁p的變化規(guī)律，當(dāng)球體直徑為0.07 m時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值。

2)球體障礙物對(duì)沖擊波具有重要影響。在無填充的密閉方管中，壓力上升緩慢且呈震蕩變化，最大值約為0.58 MPa；在密閉方管模型內(nèi)，壓力快速上升，其最大值均大于1 MPa。

3)無填充的密閉方管中，壓力上升速率不超過0.7 MPa/s；同位排列的密閉方管中，壓力上升速率約為無填充的密閉方管的60倍；而錯(cuò)位排列的密閉方管中，壓力上升速率可達(dá)到408 MPa/s，約為同位排列的100倍。