褐煤爆炸沖擊氣流傳播特性與CO 生成特性數值模擬*

劉天奇

（沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧 沈陽 110136）

煤塵爆炸過程中產生的高速傳播的沖擊氣流不僅會嚴重損壞井下作業設備，還有將設備表面和巷道地面的沉積煤塵吹揚起來的可能，造成更具破壞力的二次甚至多次爆炸[1-2]。與此同時，由于受限空間內氧氣不足，還會生成一定濃度的CO、CO2等有毒有害氣體[3-4]，據統計，由煤塵爆炸事故造成的傷亡人員中，近70%是由于吸入了CO 毒氣產物[5-6]。由此可見，對煤塵爆炸沖擊氣流傳播特性和CO 毒氣產物生成特性展開研究，十分必要。

目前，在煤塵爆炸強度特性方面，Eckhoff[7]分析了粒徑分散度、粉塵云聚合度、粉塵云濃度和湍流度對爆炸強度的影響；Elaine[8]研究了瓦斯爆炸驅動作用下煤塵爆炸的火焰傳播速度與火焰結構特征；Pawel 等[9]采用連通容器，研究了管體參數與管體內部粉塵爆炸壓力特性的關系；蔡周全等[10]研究了658 m巷道中瓦斯煤塵爆炸沖擊波能量與傳播速度衰減規律；劉貞堂[11]使用20 L 球分析了煤塵爆炸火焰場與溫度場變化過程；司榮軍[6]使用大型實驗巷道研究了煤塵爆炸火焰與壓力傳播特性；劉義等[12]使用3.2 L 管體研究了瓦斯含量、煤塵種類與粒徑對煤塵爆炸下限濃度影響作用；曹衛國等[13]、程磊[14]分別采用半封閉豎直管、單向分叉管研究了煤塵爆炸火焰特性。綜上所述，目前在煤塵爆炸強度特性方面的研究已取得一定進展，但在采用數值模擬方法分析煤塵爆炸沖擊氣流傳播特性和CO 生成特性方面，尚未充分展開。

鑒于此，本文中選取褐煤樣品，以水平玻璃管煤塵爆炸實驗系統為依托，在建立煤塵爆炸特性數學模型的基礎上，通過將不同時刻火焰傳播距離模擬值與實測值進行對比，以驗證模擬方法的可靠性。在此基礎上，模擬分析褐煤在管道空間爆炸后的沖擊氣流傳播特性和CO 毒氣產物生成特性，研究結果可為評估爆炸威力與破壞效應提供參考。

1 水平管道煤塵爆炸特性實驗系統

為驗證模擬方法的可靠性，便于將模擬結果與實驗結果展開對比，因此先采用水平玻璃管道實驗系統（見圖1）測試不同時刻褐煤爆炸火焰傳播距離。該裝置主要包括玻璃管體系統、噴塵系統、高溫點火系統、高速攝像系統、支架導軌系統、數據采集系統和管體吹掃系統。管長1.4 m，截面內徑80 mm，管壁厚3 mm，管壁上標有長度尺度，可使用高速攝像機收集不同時刻火焰圖像。

圖1 水平管道煤塵爆炸裝置結構Fig. 1 Coal dust explosion device of horizontal tube

為使煤塵顆粒形成懸浮云團并在管內點火與爆炸，設置裝置的噴塵方式為氣流攜帶式，微型空氣壓縮機會形成高壓空氣，將煤樣管中煤塵帶進玻璃管形成懸浮云團，在高溫鉑絲附近區域發生爆炸，高溫鉑絲距煤樣管0.2 m。初始揚塵壓力默認0.05 MPa，調節步長為±0.01 MPa；高溫鉑絲點火溫度默認1 100 ℃，受玻璃管工作溫度限制，點火溫度最高可設置1 200 ℃；每次實驗裝入煤樣管煤塵質量2 g，煤塵粒徑75 μm。測得不同時刻褐煤爆炸火焰傳播距離見表1，其中，500 ms 時褐煤爆炸火焰傳播至最遠距離74 cm。以上測試工況與測試結果為模擬分析提供了數據基礎。

表1 不同時刻爆炸火焰傳播距離Table 1 Flame propagation distance of explosion at different time

2 褐煤塵云爆炸沖擊氣流傳播特性與CO 生成特性模擬分析

2.1 煤塵爆炸動力傳播特性數學模型

2.1.1 煤塵顆粒水分析出模型

煤塵水分析出過程，可用液滴蒸發模型進行描述。水分析出速率表達式為[15]：

2.1.2 煤塵顆粒揮發分析出模型

選取雙步競爭反應速率模型描述揮發分析出速率，其揮發分析出速率公式為[15]：

2.1.3 煤塵顆粒揮發分湍流燃燒模型

揮發分氣體湍流燃燒過程中反應r中物質i的生成速率為[15]：

式中：YR為反應物組分的質量分數；A為反應速率經驗常數，取A=4.0。

2.1.4 煤塵焦炭顆粒燃燒模型

采用動力擴散有限速率模型描述焦炭燃燒，其中氧化物與氧化劑向顆粒表面的擴散速率為[15]：

式中：Tp為顆粒相溫度，K；Tg為氣相溫度，K；dp為顆粒平均直徑，m。

2.1.5 爆炸空間煤塵顆粒湍流流動模型

采用顆粒隨機軌道模型描述煤塵顆粒在氣相中的湍流流動[16]。在笛卡爾坐標系下（以x方向為例）顆粒的作用力平衡方程為：

式中：up為顆粒在x方向位置，m；ρp為顆粒密度，kg/m3。

2.1.6 爆炸空間兩相輻射換熱模型

使用P-1 輻射模型描述煤塵爆炸中氣相與顆粒相的熱輻射現象，對于輻射熱流qr，其計算表達式為[16]：

式中：a為輻射換熱的吸收系數； σs為輻射換熱的散射系數；G為入射輻射；C為線性各相異性相位函數系數。

2.2 水平管道幾何模型建立與網格劃分

使用GAMBIT 軟件按1∶1 比例構建三維圓柱體水平直線管道幾何模型并劃分網格（見圖2）。玻璃管體內徑80 mm，管長1.4 m，長徑比17.5，管體空間體積0.007 m3。使用結構化與非結構化并存的混合網格劃分幾何體，先將圓形側面的邊劃分40 段，再將整個幾何體以楔形體和六面體單元按Cooper 類型劃分體網格，體網格總數34 119 個。

2.3 初始條件、邊界條件與模型參數設置

2.3.1 初始條件設置

水平管道空間內初始壓力為0.1 MPa，爆炸空間流場為不可壓縮流動。管道空間內流場初始速度為零。入射顆粒初始溫度為343 K，顆粒初始入射方向為沿z軸正向，顆粒初始入射速度為4 m/s。定義圓柱體高溫點火區初始溫度為1 373 K（見圖3），用以觸發煤塵爆炸化學反應，非點火區與管道內壁初始溫度為300 K。為更貼近真實情況，考慮三維空間重力加速度，方向沿x軸負方向，大小為9.8 m/s2。

圖2 劃分網格的幾何模型Fig. 2 Geometry model of the mesh

圖3 初始高溫點火區（點火溫度1 373 K）Fig. 3 Initial high-temperature ignition zone (ignition temperature=1 373 K)

2.3.2 邊界條件設置

水平管道爆炸空間的邊界條件包括速度入口、壓力出口和管壁。其中，根據煤樣管內徑、管長及管內壁粗糙度，通過計算高壓氣流流經煤樣管時的體積流量，推導出入口風速為4.31 m/s。根據煤樣管入口處氣體流動雷諾數，推算出入口湍流強度為12%。另外，入口溫度為300 K，入口O2質量分數為23.15%；出口回流溫度為2 000 K，回流湍流強度為10%，出口為顆粒的逃逸邊界；石英玻璃管壁密度為2 400 kg/m3，管壁比熱為840 J/(kg·K)，管壁熱傳導率為173 W/(m·K)，管壁內部輻射散射率為0.5。

2.3.3 模型參數設置

為便于驗證模擬結果準確性，使用第1 節中褐煤的參數進行爆炸過程模擬。褐煤顆粒為可燃、高揮發分、粒徑75 μm 的球體，粒徑分散度符合Rosin-Rammler 函數[17]。設置煤塵比熱為1 100 J/(kg·K)，揮發分含量為36.88%，揮發分釋放溫度為773 K，煤塵顆粒表面二元擴散系數為3×10-5m2/s，褐煤的焦炭燃盡當量比為2.67，焦炭中可燃物質量分數為36.7%，焦炭燃燒釋放熱量為3.29×107J/kg。

2.4 數值模擬結果的精度檢驗

為驗證使用FLUENT 軟件模擬的可靠性，以不同時刻水平管道空間褐煤爆炸火焰傳播距離實驗數據為基礎，結合圖4 所示的不同時刻沿z方向y=0 截面火焰溫度云圖，分析可知：t=0.1 s 時，火焰傳播0.36 m，此時煤塵顆粒剛剛運移出高溫點火區；t=0.125，0.25，0.375 s 時，火焰分別傳播至0.46、0.56、0.74 m，這3 個時刻火焰傳播距離實測值分別為0.47、0.60、0.65 m，對比可知最大誤差0.09 m，最小誤差0.01 m，達到了模擬精度要求。

圖4 不同時刻y=0 截面火焰溫度云圖Fig. 4 Flame temperature's nephogram of y=0 cross section at different time

2.5 爆炸反應充分時沿z 方向沖擊氣流傳播速度模擬分析

圖5～6 分別為模擬得到的爆炸反應充分（t=0.5 s）時y=0 截面上爆炸沖擊氣流傳播速度的云圖與等值線圖，從中可分析沖擊氣流傳播速度沿z軸0～1.4 m 分布特征：z=0～0.1 m 為冷態流場，既不在高溫點火區，又不在爆炸傳播下行空間，煤塵顆粒在煤樣管內初始揚塵壓力作用下進入玻璃管，在z=0～0.1 m范圍沖擊氣流傳播速度約4 m/s，與煤塵顆粒初始入射速度基本保持一致；z=0.1～0.42 m 為爆炸沖擊氣流傳播速度躍升區，氣流傳播速度沿z軸正向由4 m/s 快速增大至13 m/s，而z=0.1～0.3 m 為高溫點火區，說明爆炸反應對沖擊氣流傳播速度的促進作用十分明顯；z=0.42～0.98 m 為沖擊氣流高速傳播區，傳播速度達最大，約14 m/s，該區段涵蓋了爆炸火焰高溫核心區z=0.56～0.86 m，證明了沖擊氣流的高速傳播增大了火焰高溫的擴散范圍，也說明高溫火焰與高速沖擊氣流作為煤塵爆炸的兩項重要傳播特性，具有密切的伴生關系，氣流可以攜帶火焰的熱量繼續傳播，火焰的熱量也可使氣流膨脹，加速其傳播；z=0.98～1.4 m 為沖擊氣流緩沖區，其傳播速度逐漸變小。綜上分析，以爆炸沖擊氣流傳播特性為基礎，將爆炸管體空間劃分為初始揚塵區（z=0～0.1 m）、速度躍升區（z=0.1～0.42 m）、高速傳播區（z=0.42～0.98 m）和氣流緩沖區（z=0.98～1.4 m）。

圖5 y=0 截面沖擊氣流傳播速度云圖Fig. 5 Impinging airflow propagation velocity's nephogram of y=0 cross section

圖6 y=0 截面沖擊氣流傳播速度等值線圖Fig. 6 Impinging airflow propagation velocity's contour of y=0 cross section

2.6 爆炸反應充分時沿z 方向不同截面沖擊氣流傳播速度模擬分析

圖7 為沿z軸0～1.4 m 范圍內每隔0.2 m 切片截面上沖擊氣流傳播速度分布情況。由于z=0.1～0.3 m為高溫點火區，煤塵顆粒在z=0.2 m 與z=0.4 m 截面上已經開始發生爆炸反應，因此在兩截面均呈現出距離圓心越遠（即距管壁越近），沖擊氣流傳播速度越大的變化趨勢，這主要是由流體流動的壁面效應導致的。由于管壁壁面附近的空隙率大于流體內部，流動時所受阻力比較小，因此出現沖擊氣流在近壁處流速較大的分布特征。由于z=0.4 m 截面相比于z=0.2 m，更接近于爆炸核心區z=0.56～0.86 m，因此z=0.4 m截面上沖擊氣流傳播速度整體上更大。z=0.6 m 與z=0.8 m 均位于爆炸核心區內，兩截面上沖擊氣流傳播速度與高速氣流分布范圍相比于其他截面均更大。z=1 m、z=1.2 m 與z=1.4 m 均位于爆炸核心區下行傳播范圍，其截面上呈現出距離圓心越近沖擊氣流傳播速度越大的特點，說明這3 個截面上爆炸沖擊氣流空間傳播效應比壁面效應更顯著，且距離爆炸核心區越遠，截面上沖擊氣流傳播速度整體越小，這與實際情況相符。

圖7 沿z 方向不同距離管道截面沖擊氣流傳播速度云圖Fig. 7 Impinging airflow propagation velocity's nephogram at different positions along z direction

2.7 爆炸反應充分時CO 毒氣產物生成特性模擬分析

在t=0.5 s 爆炸反應充分時，管體內y=0 截面上CO 質量分數分布情況如圖8 所示。管體內z=0.3～0.6 m為CO 質量分數相對最高的空間范圍，局部最高達到0.024%～0.026%，說明這段空間內煤塵爆炸反應消耗了更多的O2，這與z=0.1～0.3 m 為高溫點火區域有直接關系；0.6 m＜z＜1.4 m 范圍內，距離爆源點越遠，CO 氣體產物質量分數逐漸變小，而且在z＞0.7 m 后，煤塵顆粒在重力作用下具有向管體底部集中的趨勢，因此爆炸反應CO 毒氣產物在截面分布上有下沉的趨勢；另外，爆炸生成的高溫氣體在受到沿z軸正向的推動力的同時，還在高溫膨脹的作用下受到向上的浮力，在兩種力共同作用下，高溫氣體會在z＞0.7 m 范圍內貼近管壁上方運動，導致反應相對不完全、溫度相對較低的CO 氣體產物出現下沉的趨勢。不同CO 質量分數環境下的人體反應見表2，模擬顯示的CO 氣體局部最大質量分數約為0.026%，實驗結束后管體吹掃功能可將CO 毒氣帶至室外，可以保證實驗人員的安全。

圖9 為沿z方向不同距離處管道截面上CO 氣體產物質量分數云圖，從中可分析與z軸垂直的管道截面上CO 分布情況。由z=0.2 m，z=0.4 m，z=0.6 m 截面看出：z=0.2 m 截面上圓心外圍部分區域、z=0.4 m截面上圓心附近部分區域及z=0.6 m 截面上圓心附近小范圍區域，是CO 氣體產物質量分數較大區域，這與前文分析結果是一致的。在0.8 m≤z≤1.4 m 范圍內，管體下半部分的CO 質量分數明顯大于上半部分，可從兩個方面對這個現象進行解釋：一方面，說明煤塵顆粒受到重力作用，在管體0.8 m≤z≤1.4 m空間內出現下沉的趨勢，使爆炸反應集中于管體下半部分，導致管體下半部分氧氣量不足，從而相比于管體上半部分，生成了更大質量分數的CO 氣體；另一方面，高溫氣體受到浮力的作用，會貼近管壁上方運動，進而造成反應相對不完全的CO 氣體產物出現下沉的趨勢。

圖8 y=0 截面CO 質量分數云圖Fig. 8 Mass fraction's nephogram of CO in y=0 cross section

表2 人體在CO 氣體環境下的反應Table 2 Human reactions under condition of CO

圖9 沿z 方向不同距離管道截面CO 質量分數云圖Fig. 9 Mass fraction's nephogram of CO at different positions along z direction

3 結 論

（1）通過對比不同時刻褐煤爆炸火焰傳播距離的模擬值與實測值，驗證模擬方法的可靠性。結果表明，不同時刻爆炸火焰傳播距離的模擬值與實測值最大誤差0.09 m，最小誤差0.01 m，達到了模擬精度要求，驗證了數值模擬煤塵爆炸沖擊氣流傳播特性和CO 生成特性的可行性。

（2）模擬分析了爆炸反應充分時y=0 截面上和沿z方向不同截面上的沖擊氣流傳播特性。研究發現：以沖擊氣流傳播特性為基礎，z=0～0.1 m 為初始揚塵區，z=0.1～0.42 m 為沖擊氣流速度躍升區，z=0.42～0.98 m 為沖擊氣流高速傳播區，z=0.98～1.4 m 為沖擊氣流緩沖區。此外，由于z=0.2 m 與z=0.4 m截面上爆炸反應已經發生，因此兩截面上距圓心越遠，沖擊氣流傳播速度越大，這是由流體流動的壁面效應導致的。壁面附近空隙率大于流體內部，流動時所受阻力比較小，因此出現沖擊氣流在近壁處流速較大的分布特征。z=1 m、z=1.2 m 與z=1.4 m 均位于爆炸核心區下行傳播范圍，其截面上呈現出距離圓心越近、沖擊氣流傳播速度越大的特點。

（3）模擬分析了爆炸反應充分時CO 毒氣產物的生成特性。管內z=0.3～0.6 m 為CO 質量分數相對最高的空間范圍，局部最高達到0.024%～0.026%。在z＞0.7 m 時，由于煤塵顆粒受重力作用具有向管底集中的趨勢，同時爆炸產生的高溫氣體受到向上的浮力，導致CO 氣體產物出現下沉的趨勢。而且，z=0.2 m 截面上圓心外圍部分區域、z=0.4 m 截面上圓心附近部分區域及z=0.6 m 截面上圓心附近小范圍區域，是CO 氣體產物質量分數較大的區域。以上數值模擬研究實現了對實驗測試結果的合理有效補充。