復雜管網中瓦斯爆炸沖擊波與火焰波傳播實驗研究

賈進章，王東明，牛 鑫，李 斌，朱金超，王楓瀟

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

煤礦事故根據性質不同，可分為瓦斯、機電、放炮、頂板、水害、運輸、火災等7 種煤礦事故。其中瓦斯爆炸事故發生的頻率最高，造成的損失最為嚴重[1]。因此，瓦斯類事故是我國煤礦事故中的“第一殺手”，目前我國的國有重點煤礦有90%的煤礦具有瓦斯爆炸的危險[2-3]。瓦斯爆炸一般會產生3 種主要的危害因素：爆炸產生的壓力波，火焰波鋒面的高溫傷害以及產生的各種有毒有害氣體。因此，有必要對爆炸產生的沖擊波火焰波傳播特性進行深入的研究，以此來為井下實際環境中采取具體的防爆抑爆措施提供理論依據，從而避免或減少瓦斯爆炸帶來的危害。

瓦斯是可燃爆炸性氣體，在一定空間內爆炸過程十分復雜。源于實際工程的需要，國內外學者對瓦斯爆炸沖擊波火焰波傳播特性展開了深入研究。K.V.Wingerden 等[4]于1962 年首次在簡單管道內進行了瓦斯爆炸實驗，實驗結果表明，在實驗管道一側開口一側封閉的情況下，火焰波的速度峰值可以達到250 m/s，而在兩側都封閉的條件下，在爆炸的初始階段，火焰波的傳播速度呈指數是高速增長。D.H.Edwards 等對截面面積突然增加的復雜管道中瓦斯爆炸沖擊波特性進行了研究；結果表明：管道截面面積突變產生的沖擊波會發生繞射現象，整個爆炸過程中的膨脹波會在超臨界條件下出現二次燃燒現象[5-6]。陳慧慧[7]在復雜的“A”型管網中進行了瓦斯爆炸實驗，探究了管道中沖擊波火焰波的傳播規律，結論認為：瓦斯充填長度與同一個測點的瓦斯爆炸超壓、火焰信號強度以及火焰傳播速度呈遞增關系。董銘鑫等[8]利用FLUENT 對復雜通風管網中瓦斯爆炸火焰波傳播特性進行了數值模擬研究，結論認為：瓦斯爆炸過程中沖擊波、通風動力、火焰波以及管網結構變化產生的擾動源等多因素的耦合作用使得火焰波傳播變得更加復雜多變。馬恒等[9]運用FLUENT 對復雜的“H”型通風管網中瓦斯爆炸沖擊波特性進行了研究，研究結果表明：爆炸沖擊波經巷道壁面反射后與正向沖擊波疊加，增大了疊加區域的壓力值；爆炸沖擊波改變了聯絡巷內風流流動狀態。

綜上所述，國內外對于復雜管網中的瓦斯爆炸實驗研究相對較少，多停留在數值模擬研究階段，而且大部分現有實驗都是對單一的火焰波或者沖擊波進行研究，對復雜管網中沖擊波和火焰波傳播特性共同進行研究的實驗研究也較為少見。基于此，通過自行設計并搭建的復雜管網對瓦斯爆炸特性開展研究，以期為井下實際環境中采取具體的防爆抑爆措施提供理論依據，從而避免或減小爆炸帶來的危害。

1 實驗方案及裝置

1.1 實驗方案

在自主搭建的復雜管網實驗系統中進行實驗，實驗系統主要包括：爆炸管道系統、動態數據收集系統以及點火系統。實驗工況為：9.5%甲烷-空氣混合實驗氣體。考慮實驗時環境溫度濕度以及管道之間氣密性的變化會對實驗結果造成影響，因此，每組實驗重復進行3 次。

1.2 實驗系統

爆炸管道系統管道由內徑為200 mm，管壁厚為12 mm，最大耐壓值為20 MPa 的管道組成。數據收集系統由壓力傳感器、火焰傳感器和溫度傳感器組成。其中壓力傳感器為CYG1721 高頻動態實驗室壓力收集系統，測量范圍：-100 kPa～60 MPa，100 kPa～150 MPa。火焰傳感器為CKG100 的光敏感性火焰傳感器，其中響應光譜：可見光340～980 nm，響應時間為10 ms。實驗時在每個直管上設置間距為L的2 個火焰傳感器，記錄火焰波經過2 個傳感器的不同時間t1和t2，則管道中的火焰傳播速度v計算公式如下：

對于溫度傳感器，實驗中采用細熱電偶對瓦斯爆炸產生的火焰波溫度進行測試，測試溫度范圍為0～2 000℃，數據采集時間步長為50 ms，實驗中測量允許誤差值為0.33℃。實驗中全部動態數據調節和收集采用TST6300 數據采集儀，工作電壓為2～8 V，工作電流為5～20 mA，供電為AC，220 V/50 Hz。點火系統采用高頻脈沖電打火的方式，高頻脈沖擊穿空氣時會釋放能量并產生火花、點燃氣體。點火電極選擇采用直徑0.3 mm 的鉑絲電極，電極間距3 mm，點火持續時長0.3 s。實驗裝置如圖1 所示。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

圖2 為自主搭建的實驗系統實物圖，本次自主搭建的實驗系統實物由10 根長短不一的圓形管道，三通以及一個爆炸腔體組成，各管道之間由螺絲連接起來，在管道出口處安裝有法蘭盤，實驗時可以作為泄爆口。

圖2 實驗系統實物Fig.2 Physical picture of the experimental system

1.3 實驗步驟

本次實驗主要步驟如下：

①按照實驗設計圖紙對實驗管道進行拼接，同時將各實驗元器件連接在管道上。

② 檢驗裝置氣密性，由于該實驗系統連接處較多，如果氣密性不佳可能會造成收到的數據誤差較大，同時由于爆炸具有一定危險性，若氣密性不佳會存在安全隱患。

③打開閥門開關，通入一定量濃度的甲烷氣體；甲烷氣體體積分數按如下公式計算：

式中：pa為充入甲烷氣體壓力，MPa；p0為管道初始壓力，根據實驗環境本文取1 atm；Va為甲烷體積，m3；V0為管道體積，m3；C為甲烷體積分數，%。

④ 打開點火裝置進行爆炸實驗，同時在電腦終端收集數據。

⑤ 打開管道末端法蘭盤，排出廢氣清理管道，為下一次實驗做準備。

2 實驗結果分析

為了能夠更加清楚地描述瓦斯爆炸沖擊波、火焰波在管網中的傳播規律，對各測點、分岔口以及管道進行編號，布置具體情況如圖3 所示。

圖3 實驗系統各管道及測點Fig.3 Schematic diagram of each pipe and measuring point in the experimental system

以氣體爆炸腔的最左端為軸心，建立以水平方向為x軸，豎直方向為y軸的坐標軸，設各測點位置依次為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9，則各測點與爆炸腔的等效距離參數見表1。

表1 各測點等效坐標值Table 1 Equivalent coordinate values of each measuring point m

2.1 各管道壓力特性分析

2.1.1 壓力變化情況與規律分析

表2 列出了3 次瓦斯爆炸實驗各監測點壓力峰值的原始數據，為確保實驗數據準確，減少隨機性，對每3 次實驗結果取平均值。分析壓力在管網中傳播規律。

表2 各監測點壓力峰值原始實驗數據Table 2 Original experimental data of peak pressure at each monitoring point

圖4 是對各管道上的傳感器測量數據進行收集，選取部分變化較明顯數據整理而成的折線圖。

根據圖4a 數據分析管道L1中3 個測點壓力變化情況：在爆炸反應初期的一段時間內，3 個測點處均出現多個極點壓力峰值的情況，由于復雜爆炸管網的影響，壓力沖擊波在管網內反復地疊加并且不斷衰減[10-11]。在爆炸后0～0.3 s 內，各測點壓力峰值均以指數形式急劇上升。

圖4 各管道壓力變化折線圖Fig.4 Line chart of pressure changes of each pipeline

對于測點T1而言，在爆炸時間達到0.24 s 時，達到壓力爆炸峰值，為0.599 MPa，同時該壓力峰值也是整個爆炸反應過程中壓力最大值，在0.4～0.6 s 內，壓力值出現拐點并且有增大的現象，主要是由于管道L2相對于管道L1出現沖擊波回流現象，在0.6～1.2 s 內，壓力值持續衰減，之后壓力值趨于平穩，整個管道內反應結束。

對于測點T2，在爆炸初期壓力變化情況同測點T1大致相同，但在爆炸進行到約為0.29 s 時，壓力值出現短暫下降之后又上升的情況，這位由于沖擊波在經過“T”型管道路口時，沖擊波和爆炸管道壁面之間存在著繞射、反射等的作用，在局部區域內造成湍流效應，因而對沖擊波有著短暫的增大效果[12-13]，但由于沖擊波能量損耗以及管壁散熱等綜合因素影響，該測點的壓力峰值小于測點T1的壓力峰值，在0.35 s 時達到壓力峰值，為0.564 MPa。之后沖擊波沿著管道L1繼續向前傳播到達測點T3，由于能量損耗及管道散熱等影響，測點T3的壓力峰值繼續下降，在0.40 s 左右達到壓力峰值0.476 MPa，說明壓力沖擊波沿著長直管道傳播有明顯衰減現象，同時在爆炸反應中后期，測點T3的變化浮動較小，這是由于測點T3相對靠后，受其他管道影響相對較小。測點T3總體壓力變化情況與測點T2相似，反應進行到1.22 s 時，各點壓力值趨于平穩，同時爆炸沖擊波沿著管道繼續先前傳播。

根據圖4b 數據分析管道L2中2 個測點壓力變化情況：爆炸發生后，爆炸沖擊波首先由爆炸腔內傳出，經過管道L1后由“T”型管道路口傳到管道L2，依次通過測點T5、測點T6處，測點T5處到達壓力峰值時間要比測點T6處提前約0.07 s。

對于測點T5而言，在爆炸反應初期階段，壓力值呈指數形式上升，在0.43 s 時達到壓力峰值0.572 MPa，壓力沖擊波經過“T”型管道路口后，沖擊波壓力值并沒有出現衰減現象，反而有所增大，這是因為經過路口時在轉彎處出現湍流等現象，拐彎后沖擊波速度不斷增大，導致壓力峰值變大，由于沖擊波在之后傳播過程中疊加的作用，在0.48～0.73 s 內，測點T5處出現4 次壓力峰值，但由于在后來管道內的壓力衰減作用要大于壓力疊加作用，因此總體趨勢逐漸減小，在1.32 s 時趨于平穩。

對于測點T6來說，反應前期壓力變化趨勢與測點T5相同，在0.5 s 時達到壓力峰值0.513 MPa，隨后壓力沖擊波出現衰減，但在0.91～1.27 s 內，測點T6處又先后出現了5 次較為明顯的峰值現象，這是由于壓力沖擊波在傳播到管道末端后發生較為明顯的反射現象，沖擊波之間相互疊加，導致壓力值增大，在多次的疊加過程中，沖擊波的能量不斷損失，壓力值不斷衰減。

根據圖4c 數據分析管道L3中2 個測點壓力變化情況：爆炸產生的沖擊波在經過管道L1之后，要在經過一個直角轉彎處，才能到達管道L3。因此，測點T4、測點T9到達壓力峰值時間要相對較晚。管道L3內壓力變化趨勢與管道L2大致相同，但由于沖擊波到達兩個測點之前傳播了較長的距離，造成壓力沖擊波傳播過程中不斷的衰減，兩測點間到達壓力峰值的相隔時間要比管道L2中兩測點到達壓力峰值時間間隔長，為0.11 s。

對于測點T4而言，在反應初期壓力峰值幾乎沒有變化，在0.38 s 時，壓力開始迅速增長，由于沖擊波在拐彎處沖擊波不斷疊加，以及產生的湍流現象，致使測點T4在達到壓力峰值之前就出現多個壓力峰值的現象，在反應進行到0.61 s 時，該測點到達壓力峰值0.373 MPa，之后壓力值呈現衰減趨勢，但在衰減階段，壓力值并不是呈直線下降，而是經過數次壓力升降之后逐漸衰減[14]。

對于測點T9而言，在反應初期壓力變化趨勢與測點T4大致相同，由于距離爆炸源位置較遠，因此，沖擊波衰減效果較明顯，0.72 s 時達到壓力峰值0.297 MPa，之后壓力值開始衰減，在爆炸后期，由于沖擊波傳播到管道末端，發生反射造成沖擊波疊加，致使壓力值又出現了數次升降。

根據圖4d 數據分析管道L4中2 個測點壓力變化情況：爆炸產生的壓力沖擊波在管道內要經過兩次的拐彎才能到達管道L4，因此測點T7、測點T8到達壓力峰值時間相比其他測點要晚，在0～0.4 s 內壓力值幾乎無變化，同時測點T8處壓力變化情況受兩條管道壓力沖擊波共同影響，因此，出現壓力峰值的時間出現在爆炸反應的中后期階段，兩測點處壓力峰值出現時間相隔0.35 s，同其他在同一條管道上的兩測點相比，壓力峰值間隔時間最長。

對于測點T7而言，由于沖擊波要經過管道L2之后經過一個拐彎處才能到達測點T7，因此，反應前期壓力值無明顯波動，在0.4 s 時，爆炸沖擊波到達管道L4，壓力值開始突然增加，在反應進行到0.57 s 時，達到壓力峰值0.423 MPa，只有由于管道內沖擊波相互疊加并伴隨能量損失，壓力值經過數次上下波動后開始逐步衰減。

對于測點T8，前期壓力值波動規律同測點T7大致相同，同時在反應前半段時間并沒有達到壓力峰值，在反應進行到0.83 s 時，管道L3處的壓力沖擊波進入管道L4中，導致該測點車壓力峰值在短時間內又迅速上升，在0.92 s 時到達壓力峰值0.345 MPa，之后開始衰減，但由于管道L3末端反射回來的部分沖擊波會進入管道L4內，但方向相反的沖擊波相遇時，沖擊波相互疊加，造成壓力值上升[8]，因此，該測點在后續的壓力衰減過程中又出現壓力波動現象。

圖4 中各測點壓力變化規律大致相同，可以分為3 個階段：第一個階段為壓力平緩期，這個階段持續時間相對較短，壓力變化不明顯；第二個階段為壓力突變期，這個階段由于充入的瓦斯逐漸燃燒后發生爆炸，爆炸產生沖擊波不斷向前傳播，導致壓力持續增長，并且在壓縮波和火焰波的同時作用下出現顯著躍升，壓力迅速到達峰值[15]；第三個階段為平緩下降期，這個階段壓力呈逐漸下降趨勢，由于實驗管網末端開口，管內外大氣壓一致，出口處不會產生爆炸波震蕩，并且最終各測點的爆炸超壓接近大氣壓強。

2.1.2 壓力衰減特征

爆炸沖擊波通過管網內不同測點的衰減程度用壓力衰減系數k表示，通過上一個測點壓力峰值pi與下一個測點的壓力峰值pi+1相比較，以此來表示壓力峰值在管網內的衰減特征，計算公式如下：

根據式(3)計算得出爆炸壓力沖擊波在管網內經過各個測點的壓力衰減系數見表3。根據壓力衰減系數計算公式可以看出，在某測點處的壓力衰減系數越大，說明在該測點的壓力衰減越明顯。分析表3 中各數據可以看出，隨著測點距離爆炸距離的增大，壓力峰值衰減系數逐漸增大，說明壓力的衰減程度變大。在如圖3 中A處的“T”形分岔路口處，測點T2和測點T5相對于測點T1的壓力衰減系數分別為1.058、1.063，說明壓力沖擊波在該位置的衰減不大；而在如圖3 中B處的直角拐彎處，測點T4相對于測點T3的衰減系數達到了1.287，在所有的測點處衰減系數最大，說明沖擊波在該處的衰減現象最明顯，這是因為在管道內正常情況下沖擊波是向前不斷的傳播，但到了直角拐彎處傳播方向突然發生改變，導致沖擊波在一定范圍內接連發生反射疊加等現象，造成了能量的大量損失，因此在該處沖擊波產生明顯的衰減現象。

表3 沖擊波在管網內各測點的壓力衰減系數Table 3 Pressure attenuation factors of the shock wave at each measuring point in the pipe network

2.2 各管道火焰波傳播特性分析

2.2.1 火焰波速度變化情況與規律分析

火焰波傳播速度是研究瓦斯爆炸火焰波的一個重要參數，本實驗采用傳統的測量火焰波傳播速度方法，即通過在實驗管網的各支管中安裝2 個火焰傳感器，記錄火焰波的到達時間，在已知相鄰2 個火焰波傳感器距離的條件下可以計算出火焰波傳播的平均速度，計算公式如1.2 節中式(1)所示。

火焰鋒面到達各個測點位置的時間見表4。因此，根據式(1)以及表4 中各實驗結果數據，可以計算得出火焰波傳播速度，計算結果見表5，繪制各路線速度變化曲線(圖5)。

圖5 各測點火焰速度變化Fig.5 Variation of flame velocity at each measuring point

表4 各監測點火焰鋒面到達時間原始實驗數據Table 4 Original experimental data of the arrival time of the flame front at each monitoring point

表5 火焰波速度突變系數Table 5 Flame wave velocity change coefficient

分析火焰波的O-A-C-D傳播路線可知，在火焰波進入管網系統后，火焰波傳播速度出現了明顯的下降，火焰波傳播速度降低為94.86 m/s，降幅達到了46.3%，這是由于在“T”形分岔口處，火焰波的面積突然增大，導致傳播面的速度造成了損失，同時火焰波的氣流與管道內壁產生了劇烈的碰撞，造成了能量的大量損失[16]。但火焰在C點處經過直角彎路口時，速度降低到了23.37 m/s，在測點T8處沒有監測到火焰信號，說明在10.1 m 處之前，火焰的傳播速度已經降低為0 m/s。分析火焰波的O-A-B-D傳播路線，火焰在進入管網后傳播速度同樣出現了大幅的下降，速度降為123.03 m/s，降幅為42.5%，管道L1中速度降低的幅度小于在管道L2中降低的幅度，說明在“T”形分岔口處，速度沿直線方向的損失要少于要垂直方向的損失，之后速度不斷下降，最后降低為18.26 m/s。

根據火焰波速度變化情況總結了火焰波速度變化規律：隨著測點與爆炸源的距離逐漸增加，各測點火焰波速度呈現下降趨勢，火焰波速度變化分為兩個時期，在爆炸初期，瓦斯在被點燃后，在管道內不斷向前傳播，形成爆燃現象，隨著可燃氣體越來越多地加入燃燒反應，爆燃逐漸形成了沖擊波，在高溫高壓氣流的作用下，火焰波的速度在爆炸腔內達到速度峰值。在爆炸中后期，由于可燃氣體的消耗以及管網散熱等作用，火焰波傳播速度不斷降低[17]。

2.2.2 火焰波突變特征

火焰波在復雜管網中速度突變系數用γ來表示，用前兩測點間的火焰波速度與后兩測點間的速度之差比上前兩測點間的火焰波速度來代表速度突變特征，其計算公式如下：

根據式(4)火焰波速度，計算火焰波速度突變系數，結果見表5。

分析表中數據可知，火焰波突變的規律為：隨著火焰波傳播距離的增大，突變系數呈逐漸增大的趨勢，而隨著突變系數的增加，火焰波速度降幅較大。由此可知火焰波速度的突變特征與火焰波的傳播距離有很大的關系。

2.2.3 火焰波溫度變化情況與規律分析

將實驗過程中各測點所測得的火焰波溫度數據進行收集整理，繪制各測點的火焰波溫度峰值(圖6)。

圖6 各測點溫度峰值Fig.6 Temperature peaks at each measuring point

在各測點中，測點T1溫度最高，達到了1 837 K，測點T9溫度最低，為1 521 K，其他測點溫度從高到低依次為：測點T5、測點T6、測點T2、測點T7、測點T8、測點T3、測點T4。

分析各測點所在管道發現，火焰波速度大的位置溫度不一定高，例如測點T5處火焰的傳播速度要小于測點T2處，但測點T5處的溫度反而要高于測點T2處，這是因為火焰波的溫度相對于火焰波的速度有一定的滯后性。爆炸反應釋放能量在短時間內耗散少[18-19]。

根據火焰波溫度變化總結出溫度變化規律：隨著傳播距離的不斷增大而呈現出減小的趨勢，同時在“T”型分岔口處垂直方向的溫度要大于水平方向的溫度，因為在瓦斯爆炸之后，產生的高溫產物不斷積聚，所以管道上部火焰溫度高于下部火焰[20]。

3 結 論

a.通過在利用自主設計搭建的實驗平臺，進行復雜管道內瓦斯爆炸沖擊波火焰波實驗，由實驗可知：壓力變化規律可大致分為3 個階段，第一個階段為壓力平緩期，這個階段持續時間相對較短，壓力變化不明顯；第二個階段為壓力突變期，壓力迅速到達峰值；第三個階段為平緩下降期，這個階段壓力呈逐漸下降趨勢。

b.火焰速度變化規律：隨著測點與爆炸源的距離逐漸增加，各測點火焰波速度呈現下降趨勢，火焰波速度變化分為兩個時期，在爆炸初期，火焰波的速度在爆炸腔內達到速度峰值；在爆炸中后期，由于可燃氣體的消耗以及管網散熱等作用，火焰傳播速度不斷降低。

c.對壓力衰減系數和速度突變系數進行計算可知，隨著爆炸沖擊波與火焰波在復雜管網內的傳播距離不斷增大，壓力值的衰減趨勢和速度值的突變趨勢也更加明顯。