波紋板阻火器阻火特性的數值模擬研究

(四川大學制造科學與工程學院 四川 成都 610065)

引言

煤礦開采過程中會有瓦斯氣體涌出，通常采用管道系統將瓦斯氣體輸送走。一定濃度的瓦斯氣體在輸送過程中，遇明火、靜電等意外因素，會被引燃甚至產生爆炸，進而波及整個管道系統，造成重大事故和經濟損失，為了阻斷意外引燃的瓦斯火焰在輸送管道內傳播，需要在管道上安裝阻火器。所以，對阻火器阻火進行深入研究對瓦斯爆炸事故的預防具有重要意義，也越來越成為煤礦安全領域的重要研究課題[1,2]。

迄今為止，國內外相關學者已對阻火器做了大量研究，例如，Cubbage[3]采用城市煤氣-空氣預混氣體對波紋板阻火器進行阻火實驗，結果表明當波紋板高度足夠小、阻火單元厚度足夠的情況下，火焰可發生淬熄現象。孫少辰等[4]采用自主研制的阻爆系統進行實驗，分析了阻火芯厚度與爆轟火焰速度之間的關系。

雖然國內外專家學者對阻火器的研究取得了一定的進展，但已有的研究大部分采用的是現場實驗的方法，而現場實驗每做一次都需要較高的成本和較長的周期，不太適合直接用來研究波紋板阻火器的多參數變化對阻火效果的影響。近年來，隨著多種仿真軟件的推出，已能夠通過仿真模擬來指導現場實驗，以減省不必要的成本和時間的浪費。

基于上述原因，本文使用Fluent 15.0軟件進行了阻火器的阻火仿真，分析了阻火器中波紋板孔隙率和孔隙長度的變化對火焰速度的影響規律，為阻火器的設計提供一定的參考。

一、仿真的建模和初始邊界條件

(一)波紋板阻火器結構的仿真建模和瓦斯爆炸的仿真模型

本文選擇長20m、直徑500mm的管道進行研究，管道左端用封蓋封閉，右端則用兩層塑料薄膜封閉，在管長10m處安裝阻火器。根據王曉東等[5]的研究，對于直徑d=500mm的管道，當阻火器殼體擴張角α=30°、殼體內徑D=1000mm時，對火焰的衰減效果最好，故本文選用這種規格的殼體，在里面裝上波紋板，進行阻火仿真。

波紋板的結構如圖1所示，其中，孔隙高度h和孔隙長度L是兩個重要參數[7]，而波紋板的孔隙率φ可由孔隙高度通過計算得到。

圖1 波紋板結構示意圖

由于波紋板的孔尺寸細小且數量極多，直接對其進行三維建模較為麻煩，而且劃分網格后網格數量更多，會導致計算量過大。為了減少計算量和運算時間，本文將管道-阻火器模型簡化為二維模型，其中，波紋板用一塊等厚度的均勻的多孔介質區域來代替，如圖2所示。該多孔介質區域的孔隙率φ和波紋板的相同，其平均孔徑dp可近似等同于波紋板的單孔孔高h，其粘性阻力系數和慣性阻力系數可由厄根公式計算得到。

圖2 管道-阻火器二維模型示意圖

1.高溫點火點 2.波紋板(多孔介質區域) 3.阻火器殼體

鑒于瓦斯氣體爆炸具有高湍流度、高反應速率的特點，以及綜合考量計算精度和計算時間等因素，選用RNG k-e模型作為湍流模型[6]，處理燃燒爆炸中出現的湍流。燃燒過程視為單步反應，選用EBU-Arrhenius模型來描述燃燒爆炸過程中燃燒速率等的變化。

(二)仿真的初始邊界條件

(1)管道左端、管壁和阻火器殼體都視為壁面，壁面設為標準狀態下的無滲透、無滑移邊界，且不和流體發生熱交換，管道右端為泄壓出口，波紋板視為一片均勻的多孔介質區域。

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(2)管內氣體選用體積濃度為9.8%的甲烷-空氣混合氣體，經換算可得對應的甲烷質量分數為6.18%，氧氣質量分數為24.7%。

(3)點火區域的初始條件：該區域在距離管道左端0.5m處，是個圓形區域，半徑0.1m，溫度2000k，超壓1MPa，初速度0m/s。

(4)其他區域的初始條件：溫度300k，超壓0Pa，初速度0m/s。

二、仿真模擬與結果分析

(一)波紋板孔隙率對阻火速度的影響

設定波紋板的孔隙長度L=0.1m不變，分別對孔隙率φ為0.4、0.5、0.6、0.7和0.8這五種情況進行阻火仿真。仿真中設置了溫度監測窗口和火焰速度監測點：溫度監測窗口可顯示阻火器內的溫度場分布，從而判斷是否阻火成功；火焰速度監測點設置在波紋板前端面，可記錄波紋板能成功阻住的最大火焰速度，即最大阻火速度v。通過大量的仿真，確定了波紋板最大阻火速度隨孔隙率下的變化規律，將數據結果進行函數擬合，如圖3所示。

圖3 最大阻火速度與孔隙率的關聯擬合曲線

不難發現，波紋板的孔隙率越大，其最大阻火速度就越小，且最大阻火速度和孔隙率之間符合指數函數關系，對應的擬合函數公式為：

v=-24.07004exp(4.44012φ)+2043.53639

(1)

(二)波紋板孔隙長度對阻火速度的影響

設定波紋板的孔隙率φ=0.6不變，分別對孔隙長度L為0.06m、0.08m、0.10m、0.12m和0.14m這五種情況進行阻火仿真，通過大量的仿真模擬來確定波紋板最大阻火速度v隨孔隙長度的變化規律。為了更清晰地反映這一規律，將數據結果進行函數擬合，由王曉東[8]的理論研究可知，對于指定的波紋板的孔隙高度，L5和v呈正比例關系，而波紋板的孔隙高度指定，相當于孔隙率指定，故在此對L和v1/5進行線性擬合，如圖4所示。

圖4 最大阻火速度和孔隙長度的關聯擬合曲線

由圖可知，隨著孔隙長度增加，波紋板的最大阻火速度增加，v1/5和孔隙長度之間的擬合函數公式為：

v1/5=3.565L+4.0915

(2)

相關系數R2=0.98647，趨近于1，故而該擬合函數與仿真數據的吻合度很高。

需在此說明的是，式(1)和式(2)只是根據若干組仿真的結果擬合出的經驗公式，雖然擬合的吻合度較高，但是因為仿真本身存在諸多誤差，所以在實際設計阻火器時，本文中的經驗公式只作為參考，更多的安全因素還要不斷通過現場試驗來進一步確定。

三、結語

(1)本文對管道-阻火器裝置進行了二維的簡化建模，減小了仿真中的運算量。用Fluent軟件進行了阻火器對瓦斯爆炸火焰的阻火仿真，為阻火器的研究提供了更多節省成本和時間的研究方法。

(2)通過仿真研究了阻火器中波紋板的孔隙率和孔隙長度的變化對最大阻火速度的影響，得到了在不同的孔隙率或孔隙長度下阻火器的最大阻火速度，并分別給出了具體的擬合函數，為阻火器的設計提供了一定的參考。