圓柱體障礙物對密閉管道內瓦斯爆炸特性影響的數值模擬

羅振敏，吳 剛

(1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學西部煤礦安全教育部工程研究中心，陜西 西安 710054)

瓦斯爆炸是嚴重威脅煤礦安全生產的重要因素。據徐楓等[1]對2006—2015年間我國煤礦瓦斯事故的統計，結果顯示瓦斯爆炸事故起數占煤礦事故總數的比例為53.4%，死亡人數占比為60.4%。此外，由于井下環境復雜，許多機械設備即障礙物都會對瓦斯爆炸特性產生極大的影響。針對這一問題，國內外諸多學者對障礙物對管道內瓦斯爆炸特性的影響進行了研究。如尉存娟等[2-3]、藺照東等[4]、王成等[5]、王志青等[6]、解北京等[7]分別研究了障礙物的形狀、間距、阻塞比、數量等因素對管道內瓦斯爆炸特性參數的影響，并對比了各因素對瓦斯爆炸特性參數的影響程度。但這些障礙物多為平面結構，因此孟璐[8]、丁小勇等[9]研究了不同形狀立體障礙物對水平管道中瓦斯爆炸壓力和火焰傳播速度的影響；徐景德等[10]采用正方體障礙物模擬了不同數量的礦車對煤礦瓦斯爆炸的激勵效應；孟亦飛等[11]模擬研究了大尺寸通風管網中障礙物對瓦斯爆炸沖擊波傳播特性的影響；Masri等[12]、Ciccarelli等[13]和Zhou等[14]均通過試驗研究了障礙物形狀、阻塞比和間距對瓦斯爆炸火焰傳播速度的影響；Li等[15]則采用數值模擬的方法研究了障礙物阻塞比和間距對瓦斯爆炸壓力和火焰傳播速度的影響；Wang等[16]采用數值模擬的方法研究了障礙物存在時瓦斯爆炸的壓縮波與火焰傳播之間的相互作用機理。

上述研究多針對平面障礙物，且關注點多為瓦斯爆炸火焰傳播速度的變化。鑒于此，本文針對礦井進、回風巷道處的實際狀況，選用圓柱體障礙物代表液壓支柱，基于FLACS軟件對置障條件下密閉管道內瓦斯爆炸過程進行了數值模擬，并選取密閉管道內全過程的瓦斯爆炸壓力、最大爆炸壓力、爆炸溫度、最大壓力上升速率等多個瓦斯爆炸特性參數，分析了圓柱體障礙物的存在對密閉管道內瓦斯爆炸特性的影響。

1 數學模型與數值方法

1.1 數學與物理模型

FLACS軟件是一款專業處理氣體泄漏、擴散、爆炸與火災的安全評估軟件，在其爆炸模塊中采用了多種數學方法和手段來計算結果并實現其可視化。具體的數學方法和可視化方法可參考文獻[17]。該軟件操作簡單，并經過大量的實驗驗證，已經在很多領域得到廣泛應用。因此，本文采用FLACS軟件對置障條件下密閉管道內瓦斯的爆炸過程進行了數值模擬。

簡化的模擬管道兩端密閉，在x、y、z軸方向上的長度分別為200 m、4 m、4 m，管道內充填有濃度為10.5%的甲烷-空氣混合氣體。建立的瓦斯爆炸管道模型見圖1。設置坐標原點為其起點，其中點火位置坐標為(0.25 m，2.25 m，2.25 m)，點火開始時間設置為0 s；可燃性氣體充填的范圍為從坐標原點到(150 m，4 m，4 m)；在其點火端一側分別設置無障礙物、直徑為0.3 m和0.5 m 3個等級的圓柱體障礙物，每排支柱數為4個，各排之間間距為1.5 m，共20排，延伸的長度為30 m，障礙物分布見圖2。阻塞比指障礙物所占截面面積的比例，經計算其分別為0.3和0.5。

圖1 瓦斯爆炸管道模型Fig.1 Model of gas explosion pipeline

圖2 障礙物分布示意圖Fig.2 Diagram of obstacle distribution

1.2 網格劃分

數值模擬的計算區域為整個管道并采用均勻網格劃分，本文設置x、y、z軸3個方向的網格數分別為400個、8個、8個。按照文獻[17]的要求，網格的尺寸應小于0.1×(Vfuel)1/3，通過計算可知本文的網格尺寸符合要求。為了確保計算結果的準確性，監測點的設置不能與網格線重合，最好能放在某一網格的中間位置，因此對照網格劃分的尺寸大小，在橫截面y和z方向上選取的坐標為(2.25 m，2.25 m)，在巷道x方向上10.75 m、40.75 m、72.75 m、104.75 m、136.75 m、168.75 m、198.75 m處分別設置了7個監測點，記為P1～P7，這個方向上的監測點也設置在某一網格的中間位置，具體坐標位置見圖3。這些監測點不但可以用來監測本坐標位置瓦斯爆炸過程中特性參數的變化情況，也可以通過各監測點之間的對比分析來了解瓦斯爆炸在管道內的發展變化情況。

圖3 網格劃分及監測點坐標示意圖Fig.3 Diagram of grid division and coordinate of the monitoring points

1.3 邊界條件及參數設置

對于FLACS軟件，針對氣體爆炸的數值模擬，可設置所有邊界條件為EULER邊界；設定的初始條件為常溫常壓、氧氣濃度為20.95%；選取的隨時間變化的變量參數包括P(爆炸壓力)、PMAX(最大爆炸壓力)、T(爆炸溫度)，VVEC(流場正反向傳播速度)。其中，VVEC包含x、y、z三個方向上的流場傳播速度。

2 結果與分析

2.1 阻塞比對瓦斯爆炸壓力的影響

由于管道內各處的瓦斯爆炸壓力曲線變化規律基本相同，故本文只選取管道內間隔距離大致相同的P1、P3、P5、P74個監測點不同阻塞比下的瓦斯爆炸壓力曲線進行了數值模擬，其模擬結果見圖4。

通過對3個阻塞比下各監測點的瓦斯爆炸壓力曲線進行比較分析(見圖4)發現，從爆炸反應時間上看，無障礙物時的反應時間最長，反應時長達2.5 s左右，其次為阻塞比為0.5時的反應時間，阻塞比為0.3時的反應時間最短，反應時長約1.15 s，但阻塞比為0.5與阻塞比為0.3的反應時間相差只有約50 ms，總的來看障礙物的存在使爆炸反應時間縮短了一半；從瓦斯爆炸壓力曲線的變化來看，兩種有障礙物情況下瓦斯爆炸壓力上升的速率幾乎一致，而無障礙物時瓦斯爆炸壓力上升的速率則較慢，而在有障礙物條件下，瓦斯爆炸壓力曲線反復波動的次數有了很大減少，但瓦斯爆炸壓力值卻有很大上升。這個現象是由于障礙物的存在極大地促進了瓦斯爆炸的傳播速度，使得可燃氣體很快被耗盡，縮短了爆炸反應時間，使爆炸過程提早結束，造成瓦斯爆炸壓力曲線波動次數減少。但同時也可看到阻塞比為0.3和0.5時瓦斯爆炸過程的劇烈程度并不會出現太大的變化。

圖4 不同阻塞比下各監測點瓦斯爆炸壓力變化曲線的對比Fig.4 Comparison of explosive pressure variation curves at each monitoring point with different blocking ratios

圖5為不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力曲線的對比。

圖5 不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力曲線的 對比Fig.5 Maximum explosion pressure curves of gas at each measuring point with different blocking ratios

由圖5可見，除P6監測點外，障礙物使各監測點的瓦斯最大爆炸壓力都有所提高，而監測點P2和P7的瓦斯最大爆炸壓力提高幅度較其他點更大；從數值的大小上來看，除P2監測點外，阻塞比為0.3時各監測點瓦斯的最大爆炸壓力值與阻塞比為0.5時的基本一致，但阻塞比為0.3時的則略大一些，這是由于P2監測點恰好處在障礙物位置的結尾附近，所以在此處阻塞比越大，湍流對此點的影響較其他監測點更明顯，而P7監測點瓦斯的最大爆炸壓力增幅大的原因主要是此監測點在管道末端附近，壓力波在此處出現了多次疊加的結果。

表1為不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力峰值時間tpmax的對比。

表1 不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力峰值時間tpmax的對比Table 1 Peak time of the maximum explosion pressure of the gas (tpmax) at each monitoring point with different blocking ratios

由表1可知，無障礙物時各監測點瓦斯最大爆炸壓力峰值時間(tpmax)較為混亂，表現為P2和P3監測點的tpmax值最小，其余各監測點的tpmax值依次減小；而阻塞比為0.3和0.5時的tpmax值在各監測點依次減小，這說明了各監測點是在壓力波反向傳播時達到瓦斯爆炸壓力最大值的；對比而言，以阻塞比為0.3時的tpmax時間最短，阻塞比為0.5時的次之，無障礙物時的tpmax時間最長。

2.2 阻塞比對瓦斯爆炸溫度的影響

圖6為不同阻塞比下各監測瓦斯爆炸溫度變化曲線的對比。

圖6 不同阻塞比下各監測點瓦斯爆炸溫度曲線的對比Fig.6 Comparison of gas explosive temperature variation curves at each monitoring point with different blocking ratios

由圖6可見，所有監測點的瓦斯爆炸溫度一開始都保持在室溫，到某時刻出現突然的升高，而這一突變出現時刻沿各監測點都略有推遲，出現瓦斯爆炸溫度突變的原因是火焰經過了此點，而突變點的延遲說明了火焰是逐漸向前傳播的；P1、P3、P5監測點在3種阻塞比下瓦斯的最高爆炸溫度接近，而P7監測點在阻塞比為0.3和0.5時瓦斯的最高爆炸溫度比無障礙物時要高出許多，且該監測點在無障礙物條件下瓦斯爆炸溫度突變點的增長速率較低；無論哪種阻塞比下各監測點瓦斯的最高爆炸溫度依次下降，說明火焰在傳播過程中存在能量的損耗，但P7監測點瓦斯最高爆炸溫度下降的幅度最大，說明火焰并未到達此點，而瓦斯爆炸溫度升高的主要原因應該是熱對流和熱輻射。

圖7為不同時刻各阻塞比下瓦斯爆炸火焰的對比圖，圖中縱向的7條虛線從左往右依次為P1～P7監測點的位置。

圖7 不同時刻各阻塞比下瓦斯爆炸火焰對比圖Fig.7 Comparison diagram of gas explosion flame at different times with different blocking ratios

由圖7可見，無障礙物時的瓦斯爆炸火焰傳播在1.92 s時才能到達阻塞比為0.3和0.5時火焰傳播0.89 s時所到的位置，而且瓦斯爆炸溫度也較后兩種情況小；而后兩種情況下各監測點的瓦斯爆炸溫度基本相同，在P6監測點附近也都呈現為郁金香火焰的形狀，郁金香火焰形狀也是瓦斯爆炸發展到一定程度才會出現的現象，而這種形狀在無障礙物時不明顯。與瓦斯爆炸溫度相關的這些狀況都表明了障礙物對瓦斯爆炸的促進作用。

2.3 阻塞比對其他瓦斯爆炸特性參數的影響

圖8為不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力上升和下降速率曲線的對比。

圖8 不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力 上升和下降速率曲線的對比Fig.8 Comparison of rise and fall rate curves of the maximum explosion pressure of the gas at each monitoring point with different blocking ratios

由圖8可見，不同阻塞比下各監測點瓦斯最大爆炸壓力上升和下降速率曲線的變化規律一致；但在P2和P7監測點兩曲線差異最為明顯，其中P2監測點位于障礙物的結尾處附近，而P7監測點處于管道的末端，各壓力波的疊加效果較其他各監測點要大得多；在P2～P6監測點范圍內，障礙物對瓦斯最大爆炸壓力上升速率的影響程度要比瓦斯最大爆炸壓力下降速率的大，這說明障礙物的促進作用主要集中在瓦斯爆炸反應從開始到最劇烈的的上升階段內，而較少作用在其減弱階段。

圖9為不同阻塞比下各監測點瓦斯流場正向和反向最大速度曲線的對比。

圖9 不同阻塞比下各監測點瓦斯流場正向和反向 最大速度曲線對比Fig.9 Comparison of maximum velocity curves of the gas flow field forward and backward at each monitoring point with different blocking ratios

由圖9可見，瓦斯流場正向最大速度曲線在各阻塞比情況下的變化規律是一致的，表現為前6個監測點流場正向最大速度一直上升，到達P7監測點下降；而瓦斯流場反向最大速度曲線在無障礙物時的變化規律與其他兩種阻塞比情況下存在差別，表現為P3監測點瓦斯流場反向最大速度開始減小，說明障礙物的存在雖然增大了瓦斯的爆炸壓力，加劇了反應程度，但同時也縮短了爆炸反應時間，使各壓縮波重疊時間縮短，在反向傳播到P6監測點時就已經無后續沖擊波的補充；而無障礙物時這一過程則延續到P2監測點。這一過程也可以解釋圖8中瓦斯最大爆炸壓力上升和下降速率在P6和P7監測點變化大的現象。

3 結論與建議

本文通過FLACS軟件模擬分析了密閉管道內有、無障礙物時不同阻塞比情況下瓦斯的爆炸過程，得到以下結論：

(1) 障礙物的存在對瓦斯爆炸的火焰傳播具有很大的促進作用，但阻塞比對其爆炸反應劇烈程度的影響較小，對比而言，阻塞比為0.3較0.5時的促進作用略大一些；同時障礙物的存在也使瓦斯爆炸壓力反復波動的次數大大減少。

(2) 從瓦斯最大爆炸壓力來看，阻塞比越大，湍流對障礙物結尾附近處的影響較其他位置就越明顯；障礙物的存在同樣也會使管道末端附近的瓦斯爆炸壓力出現很大的上升。

(3) 障礙物的存在在加劇瓦斯爆炸反應程度的同時卻縮短了爆炸反應時間，致使各壓縮波重疊時間縮短，從而引起瓦斯流場在反向傳播時較早出現流場反向最大速度下降趨勢，但其依然大于無障礙物時的流場反向最大速度。

本文僅考慮了阻塞比為0、0.3、0.5的三種情況，其他阻塞比下各瓦斯爆炸特性參數的變化規律是否服從此規律，還需要進一步的驗證。另外，本試驗的初始條件是常溫常壓且可燃氣體僅為甲烷氣體，還需要進一步探究在井下實際溫度以及多種可燃氣體組分狀況下障礙物對管道內瓦斯爆炸特性的影響，這將是今后的研究方向。