大尺寸通風管網中障礙物對瓦斯爆炸沖擊波傳播特性影響的數值模擬*

孟亦飛，董銘鑫，趙東風，賈進章

(1.中國石油大學(華東) 化學工程學院，山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580；3.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

瓦斯爆炸作為嚴重的煤礦災害之一，嚴重威脅著煤礦的安全生產。為了防治瓦斯爆炸事故，降低瓦斯爆炸帶來的危害和損失，國內外學者在地面采用實驗方法對單條管路或簡單分叉管路中的瓦斯爆炸傳播特性進行了廣泛研究[1-5]。國內方面，林柏泉等[6]、葉青等[7]對受限空間內障礙物、分叉管道、拐彎管道、連續拐彎管道、T型管道以及變徑管道對瓦斯爆炸沖擊波、火焰波的影響進行了一系列研究；藺照東等[8-9]研究發現，障礙物改變了爆炸沖擊波的傳播規律，隨著障礙物數量和尺寸的增加，激勵作用越明顯；余明高等[10]發現管道中障礙物的位置會對瓦斯爆炸過程產生顯著的影響；秦澗等[11]通過實驗發現，不同形狀的障礙物對瓦斯爆炸的最終結果影響不同，擋板狀的障礙物更易促進瓦斯爆炸，多孔狀障礙物的促進作用最小；高科等[12]通過實驗和模擬相結合的方法，證實了瓦斯爆炸過程中爆炸沖擊波及高溫耦合能夠引起二次瓦斯爆炸。國外方面，Ibrahim等[13]對障礙物與瓦斯爆炸相互關系進行了研究，分析了障礙物的大小、阻塞率以及泄爆壓力對瓦斯爆炸超壓值的具體影響；Salzano等[4]運用數值模擬和實驗相結合的方法發現阻塞比不同、管道截面積變化率不同對可燃氣體產生的擾動作用以及對氣體燃燒的促進作用也不盡相同；Huld，Chang等[14-15]運用數值模擬的方法，證明了障礙物對瓦斯爆炸的過程確實存在激勵效應。

許多專家學者已經對無通風狀態的單條管路或簡單分叉管路中的瓦斯爆炸傳播規律進行了大量研究，并取得了重要成果，研究發現障礙物以及模型尺寸對瓦斯爆炸傳播規律存在重要影響，但對大尺寸通風管網中的瓦斯爆炸傳播研究極少。因此，有必要對障礙物在大尺寸通風管網模型中對瓦斯爆炸傳播規律的影響開展相關研究，以便為更加貼近實際礦井結構和工況的瓦斯爆炸研究提供參考。本文利用Fluent對具有不同數量障礙物的大尺寸通風管網模型中瓦斯爆炸沖擊波傳播規律展開模擬研究，分析通風管網中障礙物對爆炸沖擊波傳播的影響。以通風管網中障礙物存在的管道為主要研究對象，通過對比分析該管道中各個監測點的超壓變化曲線以及障礙物附近的速度矢量圖，分析總結一般規律。

1 瓦斯爆炸在通風管網中的傳播模型

1.1 基本假設

為了將問題簡化，便于進行數值模擬，本文對瓦斯爆炸過程進行了以下合理假設與簡化：

1)可燃氣體爆炸過程為單向化學反應，屬于不可逆過程；

2)爆炸開始前，爆炸腔體內可燃氣體與空氣均勻混合，初始狀態為常溫常壓；

4)混合氣體的比熱容遵循隨溫度變化而變化的混合規則；

5)管道是剛性絕熱壁面，不產生相對位移，不考慮容器與外界(包括壁面)的能量交換。

1.2 控制方程及方法

瓦斯爆炸數值模擬在二維笛卡爾坐標系下要同時依賴時間變量t和空間變量x，y，涉及到的控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分質量守恒方程[16-17]。

本文在數值模擬中選用二階迎風格式，雙精度，壓力基求解器和改進的PISO算法，燃燒模型選擇組分輸運模型，反應速率模型選擇EDM模型，湍流模型選擇RNGk-ε模型，采用非平衡壁面方程。

2 幾何模型建立及網格劃分

2.1 幾何模型及監測點布置

本文中模擬的管道截面為正方形，形狀比較規則，且屬于軸對稱，截面已經可以反映整個管道的瓦斯爆炸過程；三維模型計算周期較長，對計算機的性能要求較高，二維模型計算占用內存較少，對計算機性能要求較低，計算周期較短，計算結果也可精確地反應爆炸過程。管網模型長50 m，寬30 m，相關幾何模型、監測點的布置及相關坐標見圖1和圖2。本文中選用條形障礙物，障礙物長1 m，寬0.2 m，障礙物所在管道寬2.5 m，阻塞比為40%。

2.2 網格劃分

利用Gambit建模軟件進行幾何建模和網格劃分，考慮到管道的形狀和計算的需求，選擇非結構三角形網格和結構四邊形網格相結合對整個區域進行網格劃分。障礙物處附近的網格劃分如圖3所示，有障礙物的模型劃分了49 800個網格。無障礙物管網模型的網格劃分如圖4所示，無障礙物模型劃分了49 850個網格。

2.3 邊界條件和初始條件

對比分析文獻[1,2,5,7,8]以及相關瓦斯爆炸數值模擬研究中邊界條件和初始條件的設置，結合本文通風管網的特殊條件，設置邊界條件和初始條件如下：

1)邊界條件

1.2.2 實驗分組 將大鼠按照隨機數字法分為非糖尿病組(22只)和糖尿病組(22只),其中非糖尿病組大鼠采用隨機字母法分為ZT23亞組(11只)、ZT11亞組(11只)；糖尿病組大鼠分為ZT23亞組(11只)、ZT11亞組(11只)。所有大鼠在制備模型中飼養4周，隨后分別在ZT23和ZT11時間點，用戊巴比妥麻醉后，迅速打開胸腔，取出心臟。取材時間點設計參照文獻[6-10]。

管網設有2個開口端，操作壓力值為1個大氣壓，設定出口的組分為氧氣23%，氮氣77%，壓力入口和壓力出口的湍流強度均設為5%。壁面的粗糙常數為0.5，粗糙度厚度為0.1 mm。

圖1 管網模型及監測點設置Fig.1 Network model and part monitoring point setting

圖2 障礙物處模型及部分監測點設置Fig.2 The model of the obstacle and the setting of some monitoring points

圖3 障礙物附近網格劃分Fig.3 Grid partition near obstacles

圖4 無障礙物管網模型網格劃分Fig.4 Grid division of barrier free network

2)初始條件

本文采用濃度為9.5%的CH4-空氣混合氣體。

圖1中標注了瓦斯填充區，尺寸為7 m×4 m，瓦斯充填區域內(除點火區外)的初始條件為：初始溫度T0=300 K；氣體中各組分的初始濃度分別為wCH4=0.053；wO2=0.21；wH2O=0；wCO2=0；wN2=0.737。

一般空氣區的初始操作條件為：初始溫度T0=300 K；氣體中各組分的初始濃度分別為wCH4=0；wO2=0.23；wH2O=0；wCO2=0；wN2=0.77。

模擬中，原始爆炸點設置為已燃區(高溫、高壓的區域)，假設氧化反應完全，初始條件為：P0=2.5×105Pa；T0=1 600 K；wO2=0；wH2O=0.145；wCO2=0.118；wN2=0.737。

管網入口初始條件為：P0=2 500 Pa。管網出口采用壓力出口。

設置時間步長為0.001 s(即1 ms)。

3 通風管網內沖擊波傳播模擬結果及分析

3.1 無障礙物時沖擊波模擬結果及分析

無障礙物時底部直管中各個監測點的超壓變化如圖5所示。

圖5 無障礙物時底部直管中各個監測點的超壓變化Fig.5 Overpressure curve of each monitoring point in bottom straight pipe without obstacles

結合圖1和圖5可知：從監測點1到監測點2，由于管道截面積的突擴，使得沖擊波超壓降低速率減小；從監測點2到監測點40，由于該管道右側存在壓力聚集現象，使得超壓降低速率變緩。該管道中監測點的超壓整體表現出距爆炸源越近超壓越大的規律。從爆炸開始到管道截面積突縮前，沖擊波超壓呈上升再下降的變化趨勢。這與文獻[3]中所述沖擊波超壓的變化規律相似。存在差異的原因是：文獻[3]中的實驗裝置為密閉管道，沖擊波碰到壁面反射與后續沖擊波相互疊加的結果造成管段中出現的壓力峰值反復波動，而本文中的通風管網模型入口和出口與外界都是連通的，未出現此反復波動現象。

底部直管右端90°拐彎處兩側監測點超壓變化如圖6所示。

圖6 底部直管右端90°拐彎處兩側監測點超壓變化Fig.6 Overpressure curve of monitoring points on the both sides of 90° turnt at the right end of the bottom straight pipe

由圖6可知，在時間t分別為0.001，1.588，1.606和1.683 s時，相同時刻監測點40的超壓明顯大于監測點26處的超壓。出現這個現象的原因是：爆炸沖擊波從監測點40所在管道一側傳入監測點26所在管道時，管道截面積突縮產生阻礙，造成監測點40附近壓力的聚集，沖擊波開始壓縮底部直管右側的氣體形成壓縮波。與參考文獻[6]對瓦斯爆炸在拐彎管道中的傳播(拐彎管道/開口)論述相比，雖然在拐彎前后2個監測點的超壓值上存在偏差，但是沖擊波通過90°拐角時的超壓衰減系數K(K=P40/P26)都在1.1～1.2之間。

3.2 單個障礙物時沖擊波模擬結果及分析

底部直管中各個監測點的超壓變化如圖7所示。

圖7 有障礙物時底部直管中各個監測點的超壓變化Fig.7 Overpressure curve of each monitoring point in bottom straight pipe with obstacles

由圖7可知，t為0.001 s時，沖擊波超壓從監測點nei-bu到監測點2快速降低，其后方監測點的超壓降低速度明顯減慢，該現象及其出現的原因與無障礙物模型基本一致，主要是由管道截面積突縮和壓力集聚造成的。時間為1.661 s時，從監測點nei-bu處到監測點5處，超壓呈增加的趨勢；監測點5之后，該管內各個監測點的超壓呈減小趨勢。初期爆炸中，沖擊波傳播路徑以及疊加區域變化對涌出腔體的大量未燃瓦斯氣體的積聚區域產生影響。對比相應監測點的超壓數值發現，障礙物的存在使得二次瓦斯爆炸更加劇烈。

障礙物附近監測點的超壓變化如圖8所示。

圖8 障礙物附近監測點的超壓變化Fig.8 Overpressure curve of monitoring point near obstacle

由圖8可知，在t分別為0.001和1.661 s時，監測點7處的超壓都要稍高于監測點35處的超壓。沖擊波傳播的過程中，雖然能在障礙物處形成強烈的湍流，與高溫氣團形成正反饋機制，但是這個過程中障礙物的阻礙作用占主導，障礙物削減了爆炸波的強度，使障礙物后超壓減小。同時，障礙物的存在使得二次爆炸在該處形成的超壓要遠大于初期爆炸。這與文獻[9]中“障礙物的存在使沖擊波超壓增大”的論述相同。

圖9為障礙物附近不同時刻的局部速度矢量圖。

圖9 障礙物附近不同時刻的局部速度矢量圖Fig.9 Local velocity vector near the obstacles at different time points

由圖9可知，t為0.001 s時，障礙物的存在減小了傳播速度，阻礙了沖擊波的傳播，但障礙物前后沒有形成明顯的渦團；t為1.661 s時，障礙物附近不僅速度值增大了而且障礙物后有明顯的渦團形成。障礙物的存在使得沖擊波在繞過障礙物傳播的過程中產生了湍流現象，這與文獻[8]中的論述相同。被障礙物阻擋的一部分沖擊波，繞過障礙物進入障礙物后的渦團后繼續向前傳播，沖擊波強度減弱。

底部直管右端90°拐彎處兩側監測點超壓變化如圖10所示。

圖10 底部直管右端90°拐彎處兩側監測點超壓變化Fig.10 Overpressure curve of monitoring points on the both sides of 90° turnt at the right end of the bottom straight pipe

由圖10可知，在只有1個障礙物存在時，在底部直管的右端拐彎處,位于底部直管一側的監測點37處的超壓要高于位于出氣管側監測點26處的超壓。此結果類同于無障礙物模型中底部直管右端出現的壓力聚集現象，與文獻[6]對瓦斯爆炸在拐彎管道中的傳播(拐彎管道/開口)論述類似。同時，該現象阻礙了火焰波在底部直管中的傳播，大幅減弱了障礙物附近沖擊波與火焰波正反饋機制。

通過對比分析通風管網內瓦斯爆炸的3個時期(即初期爆炸時期、二次瓦斯爆炸時期和通風動力系統恢復時期)沖擊波的傳播規律。障礙物通過影響初期爆炸沖擊波的傳播，進而改變了流入到管網中的未燃瓦斯氣體的分布與積聚位置；在二次爆炸后，不同管道中的沖擊波發生復合作用(沖擊波與沖擊波、沖擊波與火焰波以及沖擊波與障礙物相互作用)產生的高壓區域，相對無障礙物時壓力較高，而且高壓區的位置相對無障礙物時也發生了改變。在有障礙物時，各監測點超壓峰值出現的次數也相對減少，但超壓值卻增加，說明障礙物的存在會使沖擊波的強度相對增強，沖擊波、火焰波復合作用的次數相對減少。通過分析有障礙物的模擬結果發現：障礙物的存在雖然在一定程度上減小了初期爆炸階段沖擊波的強度，但障礙物的存在改變了初期沖擊波復合作用區域，進而改變了隨沖擊波一同傳入管網的未燃瓦斯氣體的分布和積聚位置，對管網內發生的二次瓦斯爆炸影響甚大。由于管網的2個開口端處于開放狀態，增加了沖擊波傳播的復雜性。

4 結論

1)障礙物通過影響初期爆炸中沖擊波的傳播路徑和疊加區域的位置，進而改變未燃瓦斯氣體在管網中的積聚，從而對二次瓦斯爆炸中沖擊波的強度、復合作用區域、高壓區域產生影響。

2)在二次爆炸中，不同管道中的沖擊波發生復合作用而產生的高壓區域相對于無障礙物時壓力更高，而且高壓區的位置相對無障礙物時也發生了改變。

3)通過對比2個模型的模擬結果發現，沖擊波在通過障礙物后都會形成渦團，加大了湍流強度，進而與火焰波形成正反饋機制，增加了沖擊波能量補充，使其在開放式通風管網內的傳播更加復雜。

4)實際礦井生產中，應當盡量避免障礙物的存在；障礙物無法避免時，應該合理分布障礙物的位置。