負壓腔體抑制T型管道瓦斯爆炸數值模擬

丁 浩，杜玉晶，解北京，3

（1.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083；2.能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室－省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000）

瓦斯爆炸極具破壞性，造成的損失非常嚴重，爆炸火焰在巷道內傳播會導致礦井通風構筑物幾乎全部被摧毀，通風系統遭到嚴重破壞，通風紊亂會導致災情迅速擴大波及井下其他區域；更為嚴重的是，由于爆炸事故產生的有毒有害氣體濃度大、氧濃度低、溫度高等原因，致使此類事故應急處置與救援難度相當大[1]。近年來，國內外學者對阻隔抑爆技術方面開展了大量的研究。余明高[2-3]、王發輝[4]、常琳[5]、張如明[6]、煤炭科學研究總院[7]、楊克[8]等研究發現水霧抑爆對爆炸火焰有較好的抑制作用，并針對水霧抑爆開展了裝備研發，并取得一系列新型裝備。Shao Hao等[9]建立L型瓦斯爆炸實驗管道進行有無真空室的瓦斯爆炸實驗，認為真空室可使管內大部分甲烷氣體不參與化學反應，熄滅爆炸火焰，降低管內有害氣體濃度，減少沖擊波超壓和高溫火焰對人員、設施的造成的損害，有效抑制瓦斯爆炸。解北京[10-12]等對T型管道瓦斯爆炸火焰傳播特征研究得出管道內的爆燃超壓迅速上升到達峰值，之后受壓縮氣體的膨脹和沖擊后爆燃產物的的振蕩作用迅速下降。陳鵬，Huang F等[13-15]研究認為多孔材料的密度影響了瓦斯爆炸反應強度，爆炸超壓上升速率隨多孔材料密度增加呈線性下降的變化趨勢，金屬泡沫網可有效減弱瓦斯爆炸強度。嚴灼[16]等探索一種新型瓦斯爆炸抑爆方法設計空腔影響瓦斯爆炸傳播實驗，經空腔后爆炸火焰和沖擊波超壓出現明顯衰減，從而實現了熄火、消波功能。蔣曙光等[17]設計了一種真空腔，將其安裝在實驗管道側壁上，爆炸發生時，管道與真空腔之間的膜片被沖破，由于真空腔內負壓的存在，爆炸火焰和沖擊波被吸入真空腔，發現管道內爆炸超壓和火焰被顯著降低。苗夢露[18]等通過研究真空腔弱面材料厚度對瓦斯抑爆性能的影響，發現弱面材料越薄，抑爆效果越好。綜上所述的成果都是針對水霧、多孔材料、真空腔單一抑爆技術，但將多種阻隔爆技術相結合來抑制瓦斯爆炸火焰傳播效果的相關研究較少。為此，針對負壓腔與充填金屬絲網抑制問題探討其對T型巷道瓦斯爆炸火焰溫度與壓力波衰減效果，為煤礦井下瓦斯爆炸的防治提供一種新的思路。

1 外置負壓腔模型的建立

利用Ansys Fluent19.0中的Design Modeler分別構建T型管道與外置負壓腔雙向分岔管道二維幾何模型并選用四面體網格單元，采取非結構化網格進行模型網格的劃分，外置負壓腔T型管道幾何模型如圖1。負壓腔總長0.35 m，由管徑不同的2部分圓形腔體組成，其中，前端腔體長0.15 m，內管徑R1=0.04 m，后端腔體長0.2 m，內管徑R2=0.12 m。腔體容積12.1 mL。點火端位于分岔支管端口處，點火能為10 J，前端腔體中多孔材料填充長度為50 mm。選取分岔支管截面、管道分岔處截面、左側直管截面、右側直管截面、負壓腔內部及多孔材料填充區域的特征點進行數據監測，通過監測器監測坐標點的壓力、溫度、速度等參量數據變化情況。

圖1 外置負壓腔T型管道幾何模型Fig.1 External negative pressure chamber T-pipe geometry

2 模擬參數設置

雙向分岔管道內甲烷-空氣預混氣體爆炸數值模擬涉及的化學反應方程式：

壓腔體的負壓為-0.04 MPa，雙向分岔管道內CH4、O2、H2O、CO2組分含量分別為0.054、0.21、0.01。選擇壓力基求解器，SIMPLE算法進行求解。在黏性模型中，選擇RNG k-ε模型，使用標準壁面函數；選擇組元運輸、體積反應、擴散能源和渦耗散模型，混合物材料設置為理想流體；設置質量方程、動量方程、能量方程、反應進程變量方程殘差分別小于1×10-6、2.5×10-5及1×10-5。設置所有管道邊界及管道端口為剛性絕熱壁面。待火焰傳播至管道分岔處后，將左、右側2個直管的出口端邊界更改為壓力出口，使得管道與外部空間連通，設置分岔管道與負壓腔的交界面，創建重復邊界之間的連接關系，使負壓腔與分岔管道處于連通狀態。

選取金屬絲網作為前端腔體中填充的多孔材料，通過將絲網進行多層、無間隔的疊加，構成可填充前端腔體內有一定厚度的圓形多孔材料。在數值模擬過程中，多孔材料內部的空隙結構較為復雜，但是內部流體流動、傳熱和燃燒滿足連續性假設。其區域內部的燃燒過程是傳熱、化學反應、流動過程相互作用的綜合結果。參考劉笑言[19]對多孔材料建模時相關參數，金屬絲網參數值見表1。

表1 金屬絲網參數值Table 1 Metal wire mesh parameter values

3 模擬結果

3.1 溫度云圖

T型管道、外置負壓腔T型管道、填充金屬絲網的外置負壓腔T型管道爆炸火焰傳播過程云圖分別如圖2～圖4。

圖2 T型管道瓦斯爆炸火焰傳播過程云圖Fig.2 Cloud diagram of the flame propagation process of a gas explosion in a T-shaped pipeline

圖3 外置負壓腔T型管道瓦斯爆炸火焰傳播過程云圖Fig.3 Cloud diagrams of flame propagation process of gas explosion in T-pipe with external negative pressure cavity

圖4 填充金屬絲網的外置負壓腔T型管道爆炸火焰傳播過程云圖Fig.4 Cloud diagrams of the explosion flame propagation process of a T-shaped pipe filled with a metal wire mesh in an external negative pressure cavity

通過對比T型管道、外置負壓腔以及填充金屬絲網的外置負壓腔T型管道內瓦斯爆炸火焰傳播過程，發現3種數值模擬條件下，爆炸火焰在管道內前期傳播過程相同，爆炸火焰首先在分岔支管呈半球形向前傳播，隨后火焰鋒面逐漸壓平，呈內凹“Y”型向前傳播。在打開左、右側直管出口端后，T型管道內火焰經管道分岔處分別傳入直管，最終呈扁平狀不斷拉伸變形向前傳播。

外置負壓腔及填充金屬絲網的外置負壓腔分岔管道在打開直管出口端及負壓腔入口后，支管及管道分岔處部分高溫火焰及高溫氣體經前端腔體以渦旋置換方式卷吸入后端腔體內部，部分高溫火焰經分岔處流向左、右側直管并繼續參與燃燒反應。

3.2 沖擊波壓力

3.2.1 沖擊波壓力變化

3種條件下不同截面處沖擊波壓力變化如圖5。

圖5 3種條件下不同截面處沖擊波壓力變化Fig.5 Shock pressure variations at different cross sections under 3 conditions

由圖5（a）～圖5（c）可知，T型管道分岔處未增設負壓腔，火焰由點火端向前傳播，火焰持續燃燒，反應空間受限，沖擊波不斷反射繞射，管道內氣體被壓縮壓力持續增大，在左、右側直管端口打開后泄壓作用明顯。而外置負壓腔的T型管道，在火焰傳播至分岔處后，同時打開負壓腔入口與左、右側直管端口，進行雙重泄壓的同時也擴大了燃燒反應空間，降低分岔管道內積聚的熱量、壓力及預混氣體中甲烷濃度。所以，T型管道的分岔支管截面、分岔處截面、直管截面處沖擊波超壓峰值最大，并且沿火焰在管道內傳播方向，沖擊波壓力峰值在分岔支管、管道分岔處、直管內依次降低。開啟負壓腔與分岔管道連接處后，分岔管道中瓦斯爆炸產生的高溫高壓氣體以及甲烷-空氣預混氣體的分布空間擴大，氣體及反應分布均勻度被打亂，管道內高溫高壓氣體在負壓抽吸作用下進入負壓腔內部，分岔管道內氣體發生擾動，管道內燃燒不充分，沖擊波壓力降低。由圖5（d）可知，除負壓本身對沖擊波的分流與衰減作用外，負壓腔內填充的金屬絲網還會使沖擊波發生反射散射損失能量，同時對后端腔體反向流入分岔管道的沖擊波起阻礙延緩作用。因此，填充金屬絲網的負壓腔內部截面壓力峰值比僅有負壓的腔體內部截面壓力峰值大，并且沖擊波壓力衰減降低趨勢較為緩慢，沖擊波壓力達到峰值的時間增加。

3.2.2 外置負壓腔對沖擊波壓力的衰減效果。

定義沖擊波壓力衰減程度系數η為T型管道不同截面沖擊波壓力峰值與外置負壓腔條件下分岔管道相對應截面沖擊波壓力峰值之差占T型管道截面沖擊波壓力峰值的比值。不同截面處化學反應峰值及降低程度系數如圖6。

圖6 不同截面處化學反應峰值及降低程度系數Fig.6 Coefficients for peak chemical reactions and degree of reduction at different cross-sections

從圖6可以看出，相較于T型管道內沖擊波壓力，外置負壓腔T型管道內沖擊波壓力在分岔支管、管道分岔處、左（右）側直管分別衰減了20.04%、11.71%、5.75%。而在填充金屬絲網的外置負壓腔作用下，T型管道內由于瓦斯爆炸產生的高壓氣體一方面可以在腔體與管道之間存在的壓力梯度作用下進行置換，降低管道內沖擊波壓力；另一方面當相較于T型管道內沖擊波壓力，在填充金屬絲網的外置負壓腔作用下，分岔支管、管道分岔處、左（右）側直管內分別衰減了28.63%、18.28%、19.65%。由于填充有金屬絲網與負壓的外置腔體內部對于沖擊波存在負壓與金屬絲網雙重衰減機制，負壓置換卷吸高溫高壓氣體，破壞管道熱平衡狀態，金屬絲網加強沖擊波反射散射力度，增加自由基碰撞率與損耗量，因此，填充金屬絲網的外置負壓腔的T型管道內，在分岔支管、管道分岔處、左/右側直管內沖擊波超壓多衰減了8.59%、6.57%、13.90%，也就是說金屬絲網與負壓雙重作用下的外置腔體，對于T型管道內瓦斯爆炸產生的沖擊波衰減效果更好，造成的壓力損失更大。

3.3 火焰鋒面溫度

3.3.1 火焰鋒面溫度變化

3種條件下雙向分岔管道不同截面處溫度變化如圖7。

從圖7（a）～圖7（c）看出外置負壓腔和外置填充金屬絲網負壓腔條件下的T型管道內，不同截面處火焰鋒面溫度峰值出現時間存在短暫延遲，并且腔體對管道分岔處、左（右）側直管內火焰燃燒反應及火焰鋒面溫度影響較大。外置腔體內的負壓可以將管道分岔處部分火焰、高溫高壓氣體及管道未燃燒的甲烷-空氣預混氣體吸入腔體內，擾亂管道內壓力及預混氣體成分分布，擴大反應空間，而金屬絲網孔隙結構可以使火焰撕裂成若干小股，損耗一定量參與燃燒反應的自由基數，使系統整體散熱量增大，爆炸超壓衰減，明顯縮短管道內火焰燃燒反應時長與反應強度。因此，管道分岔處及左、右側直管內燃燒反應核心區火焰鋒面溫度峰值低于T型管道相應截面處火焰鋒面的溫度峰值。T型管道內，火焰由分岔支管傳至分岔處后直接流向直管內，而分岔處外置負壓腔的存在，將流向直管的火焰及高溫高壓氣體渦旋置換入腔體內，使得左、右側直管內燃燒反應時間推遲，燃燒反應核心區火焰鋒面溫度峰值出現時間發生延遲。而圖7（c）顯示，在腔體內部負壓補償完全，腔內沖擊波多次反射，壓力疊加的影響下，腔體內部高溫高壓氣體反向流出，經管道分岔處流入左、右側直管內，直管內熱量積聚。因此，左、右側直管內溫度峰值大于T型管道左、右側直管內溫度峰值。

從圖7（d）看出，前端腔體填充的金屬絲網對流入后端腔體的高溫高壓氣體及高溫火焰的反向流動起到一定的延緩阻礙作用，填充有金屬絲網的負壓腔內燃燒反應產生熱量的耗散速率略低，火焰熄滅與燃燒反應停止所耗時間更長，達到溫度峰值及溫度耗散時間增加，即進入金屬絲網及后端腔體的高溫火焰不易反沖回流到T型管道內，火焰在腔體內繼續燃燒或被淬熄。依據鏈式反應理論及劉笑言關于多孔材料對管道內火焰傳播抑制的數值研究[19]，在溫度低于1 700 K時，參與燃燒反應的自由基失活，參與鏈式反應的自由基供應不足，燃燒反應無法繼續進行，火焰熄滅，因此，以1 700 K為分割線，在圖7中截取不同條件下管道分岔處、左（右）側直管、負壓腔內部燃燒反應核心區溫度第1次降低至1 700 K時對應的時間。不難看出，外置負壓腔的T型管道內火焰燃燒反應時長遠小于T型管道內火焰燃燒反應時長，說明外置腔體的負壓壞境以及填充的金屬絲網可以有效降低T型管道內瓦斯爆炸反應強度，縮短瓦斯爆炸反應時長，減少高溫高壓氣體及高溫火焰的生成。

圖7 3種條件下雙向分岔管道不同截面處溫度變化Fig.7 Temperature changes in different sections of a bidirectional bifurcated pipe under three conditions

3.3.2 外置負壓腔對火焰傳播及燃燒的抑制作用

定義化學反應降低程度系數α為T型管道在對應截面處反應速率峰值與2種外置負壓腔條件下管道對應截面處峰值之差與T型管道不同截面處峰值的比值，管道不同截面處化學反應峰值及降低程度系數如圖8。

圖8 管道不同截面處化學反應峰值及降低程度系數Fig.8 Peak chemical reaction and reduction factor of chemical reaction at different sections of the pipeline

由圖8可知，外置負壓腔在-0.04 MPa負壓條件下，分岔直管、管道分岔處、左（右）側直管內瓦斯爆炸反應速率分別降低32.84%、31.64%、5.75%；而外置負壓腔在-0.04 MPa負壓及填充5 cm金屬絲網條件下，反應速率分別降低了39.24%、36.03%、19.65%。外置負壓腔的存在，擴大了分岔管道瓦斯爆炸反應空間，降低了管道內甲烷-空氣預混氣體的濃度以及分布均勻度，置換了T型管道內瓦斯爆炸產生的高溫高壓氣體，增大了系統散熱量，有效降低了T型管道內火焰燃燒反應強度，減少了燃燒反應的熱釋放量，縮短了反應時長，降低了管道內溫度。

填充金屬絲網的負壓腔內溫度峰值增大，降溫過程延長，火焰通過多層金屬絲網時會被撕裂成無數細小的火焰團[20]，火焰面連續性被打斷，參與燃燒鏈式反應的自由基數量減少，燃燒中斷火焰熄滅，火焰通過絲網區域傳播受阻，絲網區域火焰流經及熱量積聚時長增加，因而，金屬絲網內溫度峰值略高于未填充絲網的前端負壓腔，但化學反應速率遠低于未填充絲網的前端負壓腔。

外置負壓腔T型管道在分岔支管、管道分岔處、左（右）側直管的化學反應速率相應降低了34.31%、31.55%、5.75%，而在填充金屬絲網的外置負壓腔作用下，其化學反應速率降低了38.32%、36.34%、19.65%。流經金屬絲網進入后端負壓腔內的高溫高壓氣體及部分火焰，在能量、熱量、壓力上均存在一定程度損失，但在沖擊波不斷反射、擾動，壓力震蕩疊加的作用下，負壓腔內的高溫高壓氣體會無阻礙地反向流出，而金屬絲網的存在不僅在火焰及高溫高壓氣體流入過程中，可以使沖擊波在孔隙結構中不斷反射發生損失，使火焰被撕裂成小股中斷燃燒，抑制火焰向前傳播，并且當后端腔體內高壓高溫氣體發生反向流動時，也起到一定的延緩阻礙作用，降低氣體反向流出的通暢性及流暢度，使得后端腔體內氣體及火焰停留時間增加，散熱量與泄壓力度降低。因而，填充有金屬絲網的外置負壓腔分岔管道內火焰燃燒反應速率更小，抑制火焰傳播效果更好。由上述分析可知，從反應溫度變化以及反應速率峰值角度，外置負壓腔能夠有效降低T型管道內瓦斯爆炸強度，阻礙與抑制爆炸火焰在管道內傳播，并且填充金屬絲網的負壓腔對瓦斯爆炸反應及火焰傳播抑制效果更好。

4 結論

1）外置負壓腔T型管道內沖擊波壓力，在支管、分岔處、左（右）側直管內相應位置的沖擊波壓力分別衰減了20.04%、11.71%、5.75%，化學速率分別降低了34.31%、31.55%、5.75%，而外置填充金屬絲網負壓腔T型管道內沖擊波壓力在管道相應位置分別衰減了8.63%、18.28%、19.65%，化學反應速率降低了38.32%、36.34%、19.65%。

2）在負壓腔與金屬絲網的雙重抑制作用下，沖擊波超壓在支管、分岔處、左（右）側直管內多衰減了8.59%、6.57%、13.90%，化學反應速率降低了4.01%、4.79%、3.90%。

3）負壓腔和金屬絲網2種抑爆方法的結合發現相比單一方法對爆炸產生的沖擊波衰減效果更好，化學反應強度及速率顯著降低，燃燒反應持續時間更短，對于火焰傳播抑制效果更佳。