基于CFD 的礦用催化甲烷傳感器氣室設計優化

顧仁勇，蔣 澤

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州213001）

隨著傳感器技術的發展，煤礦瓦斯檢測系統日益成為煤礦安生生產的強力后盾[1]。當前所使用的甲烷傳感器主要是催化傳感器, 動態響應速度是催化傳感器的一個重要性能指標。根據AQ 6203—2006《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》中的要求：甲烷傳感器的響應時間應不大于20 s。氣室作為探頭與外界環境進行氣體交互的媒介，是甲烷傳感器的關鍵工作部位。不同的氣室尺寸與構造直接影響著氣體傳感器的響應時間、穩定性、重復性等特性。因此，設計一個滿足檢測需要的氣室是十分關鍵的，這也是保證甲烷傳感器穩定可靠的有效途徑[2-6]。

催化類甲烷傳感器的氣室有別于光譜吸收式傳感器，其受氣體流速的影響較大[7-8]。在實際使用過程中，催化原理的傳感器在測量甲烷濃度時，會產生燃燒廢氣。如果燃燒廢氣排出不暢，甲烷氣體補充緩慢，會影響傳感器的響應時間和測量準確度。

借助數值模擬的方法進行流體計算，進而優化氣體類傳感器性能的方式目前已經受到了廣泛的應用[9-13]，而針對礦用催化甲烷傳感器的氣室仿真優化的研究較少。因此，利用計算流體動力學（CFD）對礦用催化甲烷傳感器的氣室內部流場和甲烷擴散特性進行分析，優化傳感器響應速度，為礦用氣體類傳感器的氣室設計提供參考依據和指導。

1 傳感器氣室仿真模型

1.1 物理模型

以某型礦用低濃度甲烷傳感器作為研究對象，該傳感器采用催化燃燒式原理工作，氣室的三維模型示意如圖1。催化甲烷黑白元件被隔爆罩包裹，用于保護催化元件。隔爆罩外有探頭組件殼體，殼體上開有過氣孔。氣室底部安裝有粉末冶金片，氣室結構件通過螺紋連接，氣室底部開設有出氣孔。原始設計中，氣室螺紋連接處設計有密封圈。

圖1 氣室的三維模型示意Fig.1 Three dimensional model of gas chamber

1.2 網格劃分和計算條件

對礦用催化甲烷傳感器的氣室幾何模型進行簡化，去除不影響流場的微小特征。利用布爾運算操作，提取出傳感器氣室內的流體域。采用非結構化網格對模型進行網格劃分，設置網格類型為四面體網格。經網格無關性驗證，網格數量控制在600 萬。

由于甲烷通氣檢測為動態擴散的過程，故計算為非穩態求解。假定流體運動為不可壓縮流動，湍流模型選用RNG k-ε 模型，開啟組分輸運方程和重力模型，混合物包含CH4、O2和N2。為了簡化計算，模擬不考慮甲烷與催化黑白元件的燃燒化學反應。

甲烷傳感器的響應時間通氣檢驗時，一般采用2%濃度的甲烷-空氣混合氣體進行測試。標準混合氣體在氣室入口的流量由浮子流量計調節為200 mL/min。因此，進氣口設置為速度入口，計算得出流速為0.016 58 m/s；設置出氣口為壓力出口邊界條件，相對壓力設置為0 Pa。參照相關文獻，將粉末冶金片和隔爆罩設置為多孔介質模型[14]。

主要分析對比帶密封圈的原始設計和移除密封圈的改進設計。原始設計中，氣體僅可從出氣孔排出，將螺紋連接處設置為壁面；改進設計中，移除密封圈，螺紋的配合間隙可以出氣，將螺紋間隙簡化為壓力出口。氣室網格劃分和邊界條件設置如圖2。

2 仿真結果

2.1 原始設計氣室

通過數值模擬計算，得到的原始設計氣室的速度分布和矢量圖、壓力云圖以及三維流線圖如圖3～圖5，原始設計氣室不同時刻的甲烷質量濃度云圖如圖6。

圖2 氣室網格劃分和邊界條件設置Fig.2 Grid generation and boundary condition of gas chamber

圖3 原始設計氣室速度分布和矢量圖Fig.3 Velocity distribution and vector diagram of original design

圖4 原始設計氣室壓力云圖Fig.4 Pressure distribution of original design

圖5 原始設計氣室三維流線圖Fig. 5 Three dimensional streamline of original design

圖6 原始設計氣室不同時間的甲烷質量濃度云圖Fig. 6 Methane mass concentration at different times in the original design

從圖3 可以看出，傳感器氣室的上部氣體流動緩慢，絕大部分氣體從進氣口流出后撞擊到探頭表面，偏轉方向后從氣室底部的出氣口排出。從圖4 可以看出，氣室內部壓力分布不均勻，出口的氣流壓降在6 000 Pa 左右。其主要原因在于：粉末冶金片是壓力階躍介質，氣流從進氣口到出氣口的路徑上需要經過2 次濾片，增加了額外的流動阻力，不利于氣體的快速流動與擴散。從圖5 可以看出，甲烷混合氣在進入氣室后，大部分進氣直接從出氣口排出，少部分氣體沿著探頭側壁向上運動到探頭組件的過氣孔，之后流回出氣口。因此，原始設計的氣室，氣體流線沒有流過整個腔體，氣室上部存在著流動死區。氣室與外界環境的氣體交換不暢，催化元件與甲烷反應產生的廢氣較難排出，進而會影響傳感器的響應速度和測量精度。

從圖6 可以看出，隨時間的變化，氣室內甲烷濃度緩慢上升，20 s 時氣室內甲烷濃度才基本與來流一致，且氣室上部部分區域仍存在濃度梯度。探頭部位的氣體流動緩慢，通氣過程中的甲烷主要依靠自由擴散在氣室中進行傳播。因為催化傳感器的響應速度主要取決于瓦斯向元件氣室擴散的速度[2]，所以該出氣口設計方案存在催化元件響應時間超差的風險。

2.2 改進設計氣室

從之前的分析可以看出，出氣口位置的設計直接影響著氣室內部的流動軌跡，決定著氣室內甲烷的擴散速率。因此，改進設計中將螺紋連接處的密封圈移除，通過合理設計螺紋連接處的配合間隙，來保證氣室的螺紋不完全密封，使氣體可以從螺紋間隙和出氣孔同時排出。

改進設計氣室的速度分布和矢量云圖、壓力云圖和三維流線圖如圖7～圖9, 改進設計氣室的不同時刻甲烷濃度云圖如圖10。

圖7 改進設計氣室速度分布和矢量云圖Fig. 7 Velocity distribution and vector diagram of improved design

圖8 改進設計氣室壓力云圖Fig.8 Pressure distribution of improved design

圖9 改進設計氣室三維流線圖Fig. 9 Three dimensional streamline of improved design

圖10 改進設計氣室不同時間的甲烷濃度云圖Fig. 10 Methane mass concentration at different times in the improved design

從圖7 可以看出，改進設計的氣室內流動與原始設計完全不同，氣流流過粉末冶金片后，沿氣室側壁流動到過氣孔，之后全部從螺紋縫隙處排出。從圖8 可以看出，氣室內壓降只有700 Pa，流體的流動壓降小。氣體從螺紋配合間隙處排出時只經過1 次粉末冶金片，由于氣體流動遵循最小阻力原則，因此絕大部分氣體從氣室上部排出。從圖9 可以看出，有別于原始設計中甲烷依靠自然擴散填充氣室，改進設計氣室的氣流在向上運動的過程中，可以將氣室內殘余空氣和催化燃燒廢氣進行快速置換，從而加快了甲烷氣體的擴散。

從圖10 可以看出，隨時間的變化，氣室內甲烷濃度上升速度明顯快于原始設計，12 s 時氣室內甲烷濃度與來流一致。改進設計的氣室內部不存在不參與氣體交互的死體積，氣體擴散速度快，氣體濃度分布均勻，提高了傳感器的測量準確度和響應速度。因此，通過優化氣室結構，利用螺紋配合間隙進行排氣的方案成功提高了催化甲烷傳感器的響應速度，滿足了煤礦對催化甲烷傳感器的性能要求。

3 試驗驗證

為了驗證以上數值模擬的正確性，設計了試驗對數值模擬得到的結論進行驗證。試驗方案示意圖如圖11，其中方案1 為原始設計，方案2 為去除密封圈的改進設計，方案3 為在方案2 的基礎上通過銑削部分螺紋來增大出氣面積，觀察出口大小對響應速度的影響。

通氣試驗采用同一瓶氣樣，濃度為2%甲烷，通氣流量利用浮子流量計控制為200 mL/min。催化甲烷探頭在試驗前已提前進行調零和線性校準。甲烷傳感器的響應時間T90是指甲烷濃度發生階躍變化時，輸出值達到穩定值90%時所需要的時間[3]。因此試驗記錄傳感器的示數達到1.8%甲烷所需要的時間。考慮到工藝一致性的差異，每種方案分別制作4個樣件進行測量。通氣響應時間對比圖如圖12。

圖11 試驗方案示意圖Fig. 11 Schematic diagram of test schemes

圖12 通氣響應時間對比圖Fig. 12 Comparison chart of response time

由圖12 可以看出，方案1 的響應時間在19 s左右，甲烷通過自然擴散傳播；方案1 的響應時間雖然已滿足了AQ 6203—2006 標準中的要求，但響應速度還不夠理想。方案2 響應時間在14 s 左右，相比方案1 響應時間降低30%以上；氣室的出氣方式改變后，內部甲烷流動由自然擴散變為流動擴散，響應速度增加明顯。方案3 在方案2 的基礎上銑削部分螺紋，增加了出氣面積，響應時間可進一步降低到8 s左右。對比3 個方案可知：該試驗結果與仿真結論一致；氣室設計中，通過合理設計出氣口的位置和大小，可以達到控制氣體類傳感器產品響應時間的效果。

4 結 語

利用數值模擬的方法獲得了催化甲烷傳感器氣室內部的流動軌跡和甲烷擴散規律。發現出氣口的設計直接決定了氣室內部的流動軌跡，且影響甲烷傳感器的響應速度和測量準確度；通過合理設計氣室的結構，優化出氣口的位置和大小，可以達到控制催化傳感器響應時間的效果。