變阻障礙物對管道內瓦斯爆炸的影響

馬恒 郝中盟 高科

[摘要]為探究障礙物阻塞比變化率對瓦斯爆炸的影響，分別建立平均阻塞比為0.6、0.3的受限空間物理模型，基于Charlette湍流燃燒模型，利用Fluent軟件對阻塞比變化率依次為0、0.05、0.10、0.15的障礙物條件下的爆炸火焰、湍流轉捩、壓力波耦合過程進行大渦模擬（LES）。研究結果表明：火焰經過障礙物會產生回流卷吸效應。在平均阻塞比為0.6的工況組A中，當阻塞比變化率為0.10、0.15時，火焰鋒面更加尖銳，火焰傳播速度峰值更高，平均傳播速度更高，到達超壓所需時間更短，超壓峰值更大。在平均阻塞比為0.3的工況組B中，各工況平均傳播速度相同，隨著阻塞比變化率的增大，到達超壓所需時間更長，超壓峰值更大。

[關鍵詞]障礙物；阻塞比；阻塞比變化率；瓦斯爆炸；火焰傳播速度；爆炸超壓

[分類號]X923

0引言

瓦斯爆炸作為化工、煤礦等工業生產中最嚴重的事故之一，時刻危害著工人的生命安全。在化工生產中，爆炸火焰在傳播途中會遇到各種類型的障礙物，例如閥門以及管道面積突然連續縮小的區域等；在煤礦生產中，巷道內的通風設備、機械設備、機電設備等都會形成障礙物群。在障礙物的影響下，火焰的結構和傳播速度、爆炸超壓以及流場都會受到影響而發生變化，增加爆炸帶來的損傷程度。因此，從安全角度考慮，深入研究障礙物對瓦斯爆炸的激勵效應有重要意義。

目前，學者們在障礙物形態、性質、阻塞比等對火焰傳播的影響方面展開了廣泛研究。溫小萍等搭建了瓦斯湍流爆燃試驗平臺，通過研究障礙物條件下瓦斯爆炸的火焰結構和瞬時超壓變化，理論分析了爆炸火焰與壓力波耦合的規律：孟亦飛等建立大尺度通風管網模型，利用數值模擬方法探究了二次瓦斯爆炸中沖擊波與高溫氣流的復合作用；Gao等、喬征龍等利用數值模擬方法研究了柔性障礙物對瓦斯爆炸的影響，研究發現：柔性障礙物同剛性障礙物一樣，均能提高瓦斯爆炸的危險性，但強度有所減弱。為了能精準捕捉火焰在傳播過程中的流動情況，數值模擬中的大渦模擬（large eddy simulation，LES）方法能夠較好地模擬預混火焰的傳播特性；而對于燃燒研究，學者們多采用增厚火焰模型（thickened flame model，TFM），或使用C方程的Zimont模型。Charlette等提出了一種湍流燃燒模型，簡稱Charlette火焰模型，通過直接數值模擬（direct numerical simulation，DNS）的方法與大渦模擬方法驗證了此模型的準確性；溫小萍等利用大渦模擬耦合Charlette火焰模型，將獲得的火焰結構、傳播速度以及沖擊波超壓與試驗結果進行了對比，進一步驗證了基于Charlette火焰模型的大渦模擬數值方法在障礙物條件下對于瓦斯爆炸的適用性。