障礙物排列方式對甲烷/空氣爆炸特性影響研究

劉 磊，宋雙林，葛 歡，王永敬，田富超

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈撫示范區 113122； 2.煤礦安全科技國家重點實驗室，遼寧 沈撫示范區 113122)

瓦斯爆炸事故是煤礦重大災害之一，不僅會造成能源損失和人員傷亡，而且會產生毒害氣體為后續救援造成極大困難[1]。為此，許多學者針對可燃氣體的抑爆試劑[2-7]和防爆裝置[8-9]開展了大量的研究工作，并取得了一定的效果。隨著煤礦智能化程度的提高，井下智能設備的數量逐漸增多。研究表明，類似于障礙物的井下設備能夠促進煤塵/瓦斯形成更大爆炸壓力及火焰傳播速度[10-19]，容易造成原有的隔抑爆措施失效。因此，有必要深入研究障礙物對瓦斯爆炸特性的影響，從而完善井下阻燃抑爆技術。

為了研究井下設備對瓦斯爆炸特性的影響，國內外學者開展了大量的實驗研究。在障礙物阻塞比方面，Johansen等[11]研究了方形管內阻塞比對火焰加速傳播過程的影響，發現高阻塞比的障礙物對火焰加速效果明顯，可以使火焰傳播速度加速到聲速以上。Wang等[12]在直徑為350 mm、長40 m的圓形管道內，研究4種阻塞率的障礙物對甲烷/空氣混合氣體爆炸特性的影響，發現障礙物阻塞率越大，未燃氣體的混合物與沖擊波的相互作用越強，從而促進火焰加速；同時，障礙物阻塞率增加也會導致燃燒熱散失量的增加，進而抑制火焰的傳播，火焰的加速取決于兩者相互作用的結果。在障礙物數量方面，吳紅波[13-14]等在方形管內研究障礙物對火焰加速機理影響，發現隨著障礙物數量的增加，火焰傳播速度迅速提高，導致爆炸強度和波及范圍迅速增大，障礙物對火焰的加速機理可歸功于障礙物誘導的湍流區對燃燒過程的正反饋。在障礙物形狀方面，王磊等[15]通過數值模擬的手段研究了不同形狀的障礙物在密封管道的瓦斯爆炸火焰傳播特性，發現管道內置方形障礙物時火焰通過整個管道用時長于梯形障礙物、球形障礙物和無障礙物的工況。在障礙物間距方面，尉存娟等[16]在實驗管道內研究障礙物間距比對甲烷/空氣爆炸特性的影響，發現爆炸壓力和火焰傳播速度隨著障礙物間距的增加呈現不同增速的變化規律，障礙物間距的改變對爆炸壓力的影響效果要弱于其對火焰傳播速度的影響。Cieearelli等[10]研究了障礙物大小與間距對火焰加速初始階段的影響，發現在火焰初始階段，當阻塞率較小時，孔板障礙物間距對火焰的加速幾乎沒有影響，阻塞率較大時，間距對火焰加速有強烈的作用，孔板置于1倍管徑距離處，測量的加速距離最短。改變障礙物在實驗管道截面方向的位置，同樣對瓦斯爆炸特性有著一定的影響，在相同阻塞率及數量情況下，障礙物位于管道截面中間位置時瓦斯爆炸壓力及火焰傳播速度最大[17]；此外，研究發現障礙物交錯放置對瓦斯爆炸壓力的影響大于同側放置[18-19]。

以上學者重點研究了障礙物的阻塞比、數量、形狀以及間距等對瓦斯爆炸特性的影響，而多個障礙物在管道軸向排列方式對瓦斯爆炸影響的研究相對較少。基于此本文開展了不同阻塞率障礙物在實驗管道軸向的變化對瓦斯爆炸特性影響的研究，為井下設備的設計與安裝、阻燃抑爆技術的研發與完善提供理論依據。

1 實驗裝置

實驗平臺構成如圖 1所示。實驗平臺包括，管道系統、壓力采集系統、圖像采集系統、點火系統、配氣系統。管道系統由內截面為10 000 mm2、長度為1 000 mm的有機玻璃管道構成。壓力采集系統是由壓力傳感器和數據信息采集卡構成，壓力傳感器的量程為0～2 bar。圖像采集系統是由高速攝像機和控制電腦構成，圖像采集頻率2 kHz。點火系統為自制的點火器，點火電壓為6 V，點火能量為約為0.2 J。配氣系統是由實驗氣瓶和質量流量控制器組成，通過流量調節配置9.5%甲烷—空氣可燃預混氣體，采用排氣法，往管道內通入4倍的管道體積氣體，使預混氣體完全充滿管道。實驗選擇的障礙物尺寸為100 mm×10 mm(寬×高)，長度分別為30、50、70 mm，構成阻塞率分別為30%、50%、70%。在實驗管道上預留3處障礙物放置的位置，距離點火源分別為200 mm(長徑比2)、400 mm(長徑比4)和600 mm(長徑比6)，依次記為位置1、位置2和位置3。

圖1 實驗平臺構成示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

實驗共設計了7種工況，其中在3處預留障礙物實驗管道內安放阻塞率為30%的障礙物，記為Case 1，其余6種工況在工況1的基礎上，將阻塞率為50%和70%的障礙物替換掉位置1處的障礙物、位置2處的障礙物和位置3的障礙物，構成不同實驗工況，不同實驗工況障礙物安置位置見表1。

表1 不同實驗工況障礙物安置位置Tab.1 Placement of obstacles under different experimental conditions

2 結果分析

2.1 障礙物排列方式對火焰傳播速度影響分析

通過高速攝像系統記錄不同時刻傳播火焰在管道內的傳播位置，采用式(1)計算平均火焰傳播速度v[20]：

v=L/(t2-t1)

(1)

式中，L為火焰鋒面位置1處和2處的間距；t1為火焰鋒面到達位置1處的時間；t2為火焰鋒面到達位置2處的時間。

通過式(1)計算出不同管道位置下的火焰傳播速度，如圖2所示。從圖2中曲線變化規律可以看出，在障礙物的作用下，爆炸火焰在管道內傳播出現較為明顯的3個峰值。

如圖 2(a)所示，將管道位置3的障礙物阻塞率分別設置為30%、50%、70%時，火焰通過位置3處障礙物之后第一個瞬時峰值速度分別為259.03、309.05、292.11 m/s，相比于阻塞率為30%的障礙物，阻塞率為50%、70%時的火焰傳播速分別增加了19.32%、12.77%。如圖2(b)所示，將管道位置2的障礙物阻塞率分別設置為30%、50%和70%時，火焰通過位置2處障礙物之后第一個瞬時峰值速度分別為79.07、130.09、240.89 m/s，相比于阻塞率為30%的障礙物，阻塞率為50%、70%時的火焰傳播速分別增加了64.53%、204.65%；如圖 2(c)所示，管道位置1處的障礙物阻塞率分別為30%、50%和70%時，火焰通過位置1處障礙物之后第1個瞬時峰值速度分別為35.04、54.85、75.46 m/s，相比于阻塞率為30%的障礙物，阻塞率為50%、70%時的火焰傳播速分別增加了55.76%、115.35%。因此，隨著障礙物距離點火源距離的增加，障礙物阻塞率的改變對爆炸火焰傳播峰值速度呈現先增大后減少的變化規律，障礙物在距離點火源400 mm時對爆炸火焰傳播速度的影響最大。

圖2 不同工況下爆炸火焰傳播速度隨位置的變化規律Fig.2 Variation of explosion flame propagation velocity with position under different working conditions

不同實驗工況下甲烷爆炸火焰傳播到達管道末端的時間如下：Case 1為42.18 ms；Case 2為41 ms；Case 3為41.5 ms；Case 4為39.87 ms；Case 5為39.93 ms；Case 6為38.25 ms；Case 7為36.81 ms。

相比于管道內障礙物的阻塞率均為30%的Case 1，在改變管道內障礙物的阻塞率所構成的Case 2、Case 3、Case 4、Case 5、Case 6、Case 7下火焰到達末端的時間分別縮短了1.18、0.68、2.31、2.25、3.93 、5.37 ms，如圖3所示。根據上述數據繪制不同實驗工況下火焰傳播到管道末端時間曲線。從圖3可以看出，在障礙物組中含有50%、70%阻塞率的障礙物時，火焰到達末端的時間隨著障礙物隨著距離點火源位置的增加而增加。改變管道內安放障礙物位置處的障礙物阻塞率，發現在管道位置2和位置3處時，阻塞率50%障礙物的工況下甲烷爆炸火焰傳播到管道末端的用時最短；在管道位置1處時，阻塞率70%障礙物的工況下甲烷爆炸火焰傳播到管道末端的用時最短。障礙物距離點火源越近、阻塞率越大，火焰到達管道末端的用時越短，即平均傳播速度越大。

圖3 不同實驗工況下火焰傳播到管道末端的時間曲線Fig.3 Time curve of flame propagation to the end of pipe under different experimental conditions

在一定長度的管道內，預混氣體在被點燃之后，以層流燃燒的形式傳播，如圖4所示，火焰在30 ms之前的結構，燃燒火焰邊緣相對比較平緩。

圖4 火焰結構變化規律Fig.4 Variation law of flame structure

障礙物的存在會使得未燃氣體在障礙物的下風側形成不同一定強度的湍流區域，在預混火焰傳播到此區域時，由平緩的層流燃燒狀態轉變為破碎的湍流燃燒[21]，從而加速預混氣體的燃燒速率。障礙物阻塞率越大，障礙物的下風側所形成的湍流強度越強[11]。同時，由圖4可以發現，可燃氣體在遇到障礙物之前的傳播時間(32 ms)占據整個傳播時間(42.18 ms)的75.87%，因此，在一定距離范圍之內，障礙物距離點火源越近，阻塞率越大，平均火焰傳播速度越快。

可燃氣體燃燒所產生的熱量促使已燃氣體膨脹，從而推動燃燒火焰向未燃氣體傳播。障礙物的存在，使得未燃氣體在流經障礙物時的氣流流量增加，火焰通過障礙物時的受傳播速度呈現增加的現象，且障礙物的阻塞率越大火焰通過障礙物時的傳播速度越大。火焰通過不同阻塞率的障礙物時的結構變化如圖5所示，圖5中以火焰接觸到障礙物記為0 ms。

圖5 火焰結構通過障礙物變化 (0 ms為火焰鋒面與障礙物接時刻)Fig.5 Changes of flame passing through obstacles(0 ms is the time when the flame front meets the obstacle)

火焰在通過阻塞率70%的障礙物時，火焰形狀十分“尖銳”地穿過障礙物，相比于阻塞率70%的障礙物，火焰通過阻塞率50%的障礙物時，火焰結構變得較為緩和，火焰通過阻塞率30%障礙物時更為緩和。這是造成改變管道位置1和位置2處的障礙物阻塞率火焰瞬時速度增加的主要原因。燃燒火焰在經歷管道位置1處障礙物的影響之下，燃燒效率得到提高，燃燒溫度更大，因此火災管道位置2處的高阻塞率障礙物時能夠產生更大的火焰瞬時峰值速度。火焰傳播到管道位置3的障礙物時，對于整個管道的預混氣體燃燒而言，此時燃燒已經過半，點火源附近的已燃氣體由于燃料殆盡而開始冷卻收縮。預混氣體雖然經歷2個障礙物的湍流加速，但是熱膨脹不僅要驅動未燃氣體，同時維持已燃氣體的熱量損失。同時，高阻塞率的障礙物會阻礙未燃氣體的流速。氣體爆燃膨脹與障礙物自身對氣流的阻礙協同作用下，導致障礙物在管道位置3處時，障礙物阻塞率為50%時的瞬時火焰傳播速度最大。

2.2 障礙物排列方式對甲烷爆炸壓力影響分析

不同實驗工況下爆炸壓力隨時間變化規律曲線如圖 6所示。從圖 6可看出，整體上壓力曲線在出現2個峰值之后，便開始震蕩減弱，直至降為常壓，火焰爆炸壓力曲線出現震蕩的原因是：超壓振蕩是超壓與火焰鋒面在未燃氣中發生火焰—聲波相互作用的結果[22]。壓力隨時間變化曲線可分為6個階段，階段1：緩慢增加階段，持續時間在23 ms附近；階段2：壓力緩慢減少階段，持續時間在4 ms附近；階段3：壓力緩慢增加階段，持續時間在6 ms附近；階段4：壓力快速增加階段，持續時間在5 ms附近；階段5：壓力快速減小階段，持續時間在3 ms附近；階段6：壓力震蕩減弱階段。在點燃預混氣體之后，由于燃燒面積的增加，使得爆炸壓力緩慢增加。本次實驗采用半封閉實驗工況，在壓力達到一定值(平均值670 Pa)之后，管道末端密封薄膜破裂，導致聚集的壓力釋放，造成壓力降低。當管道末端壓力釋放速率小于燃燒產生的壓力，壓力進入緩慢增加的第3階段，此時爆燃火焰鋒面傳播平穩，壓力緩慢增加。當火焰鋒面燃燒經過位置1處的障礙物時，由于燃燒面積和障礙物下風側湍流強度的增加，導致預混氣燃燒效率增大，爆燃壓力進入急劇增加的第4階段。在預混氣體達到末端附近時，爆燃壓力達到峰值，之后主燃區離開管道，壓力進入急劇下降的第5階段。由于管道內殘留未燃盡的氣體，導致壓力出現震蕩減弱現象。

圖6 不同實驗工況下壓力隨時間變化規律Fig.6 Variation of pressure with time under different experimental conditions

不同障礙物組合對爆燃壓力峰值的影響如圖7所示。

圖7 不同實驗工況的峰值壓力Fig.7 Peak pressure under different experimental conditions

從圖7可以看出，分別改變管道3個位置處的障礙物阻塞率時，阻塞率70%的障礙物對甲烷爆燃壓力峰值最大，在位置1、位置2和位置3處的峰值壓力分別為138.2、143.6和70.2 kPa。因此，在相同管道位置下，爆燃壓力峰值隨著障礙物阻塞率的增加而增加。相比于位置3處爆燃峰值壓力，阻塞率50%的障礙物在位置1和位置2處的爆燃峰值壓力分別增加了24、38.4 kPa；阻塞率70%的障礙物在位置1和位置2處的爆燃峰值壓力分別增加了63.6、68 kPa。

障礙物與點火源的距離對預混氣體爆燃壓力峰值有著一定的影響，在半封閉的實驗管道下，甲烷/空氣預混氣體的爆燃壓力峰值隨著障礙物與點火源距離的增加呈現先增加后變小的變化規律，在距離點火源400 mm時，爆燃壓力峰值最大。障礙物增加預混氣體的湍流強度，改變未燃氣體的流場狀態，在障礙物的下風側，未燃氣體會形成大小不一的渦流區域[23]，該渦流區域會增加熱量和物質的傳遞，從而增加燃燒效率。如圖 5所示，燃燒火焰鋒面在障礙物作用下會出現拉伸變形，從而增加預混氣體的燃燒面積，促進預混氣體的燃燒效率，產生更多的熱量，膨脹超壓更大。

本實驗采用半封閉實驗，相比于安放障礙物的管道位置1和管道位置2，管道位置3處位于距離點火源600 mm，由于火焰鋒面傳播速度較快造成預混氣體燃燒不充分，加之管道末端因薄膜破裂而造成的約束力減少，燃燒所形成的壓力波難以作用于點火源附近的壓力傳感器，造成爆燃超壓峰值小于障礙物在位置1、位置2對預混氣體爆燃超壓影響的現象。火焰在通過位置1處的障礙物之前，預混火焰以層流的燃燒狀態進行傳播，燃燒相對緩慢。預混火焰通過位置1處的障礙物之后，障礙物所形成的湍流氣流造成燃燒氣體的動量損失，從而削弱的爆燃超壓。預混火焰通過位置2的障礙物時，火焰已處于具有一定強度的湍流燃燒狀態，通過位置2處的障礙物所形成的湍流流場能夠促進預混氣體的燃燒，從而增加爆燃壓力峰值。

3 結論

(1)在多個障礙物作用下，障礙物阻塞率對甲烷爆燃火焰傳播平均速度的影響與障礙物距離點火源位置和障礙物的阻塞率有關。障礙物距離點火源越近、阻塞率越大，火焰到達管道末端的時間越短。對比相同阻塞率的障礙物在不同管道位置時的平均火焰傳播速度，障礙物對傳播火焰前期的影響要大于對傳播火焰后期的影響。

(2)在多個障礙物作用下，隨著距離點火源位置的增加，不同阻塞率的障礙物對爆炸壓力峰值呈現先增大后減小的變化規律，障礙物的位置在距離點火源400 mm時，爆燃壓力峰值達到最大。

(3)與單個障礙物作用效果不同，在相同管道位置下，多個障礙物作用下的甲烷/空氣混合氣體爆炸峰值壓力隨著障礙物的阻塞率的增加而增加。