障礙物與管道壁面間距比對(duì)瓦斯爆炸傳播特性的影響*

余明高，劉 磊，鄭 凱，蘇 洋，滕 飛，劉 洋

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引言

瓦斯爆炸是煤礦災(zāi)害最嚴(yán)重的事故之一，一旦發(fā)生往往會(huì)造成大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了減少瓦斯爆炸事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，瓦斯燃燒機(jī)理和傳播特性一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。張英浩、鄧軍、羅振敏等[2-5]在小型管道對(duì)瓦斯爆炸過程中的特征參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出爆炸壓力變化的過程可以劃分成4個(gè)階段，而爆炸火焰?zhèn)鞑ナ且煌蛔冞^程的結(jié)論；Fairweather和Chen等[6-8]對(duì)甲烷-空氣爆炸的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ帘ê笃诓判纬蓚鞑ニ俣容^快的湍流狀態(tài)；層流-湍流轉(zhuǎn)變是火焰結(jié)構(gòu)變化的根本原因。然而在煤礦井下和工業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免的存在一些類似障礙物的生產(chǎn)設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂兄匾挠绊?，因此研究障礙物對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懹兄鴺O其重要的研究意義。Masri，Ciccareli，王成、藺照東等[9-13]對(duì)可燃預(yù)混氣體的濃度和障礙物的形狀、阻塞率、位置、表面情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)可燃預(yù)混氣體的濃度和障礙物的形狀、阻塞率、位置和表面情況都會(huì)影響火焰的傳播特性；Phylaktou、Vishwakarma和Wen等[14-16]針對(duì)擋板、障礙物的放置方式等對(duì)甲烷-空氣混合物爆炸特性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火焰越過障礙物時(shí)被拉伸和褶皺，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，爆炸超壓升高；隨著障礙物數(shù)量的增加，爆炸火焰速度和超壓峰值明顯增大，交錯(cuò)障礙物對(duì)甲烷爆炸火焰前鋒位置，火焰速度和爆炸超壓等有顯著的影響；丁以斌等[17]對(duì)甲烷/空氣混合氣體在立體結(jié)構(gòu)的障礙物作用下的爆炸傳播特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與火焰作用面積越多且能夠使爆炸傳播火焰分叉的立體障礙物對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的影響較大；Zheng等[18]研究不同中空形狀的方形孔板障礙物對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，發(fā)現(xiàn)與方形孔板、圓形中孔板相比，三角形中空板障礙物能夠產(chǎn)生較大的爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣?；郭丹彤等[19]運(yùn)用3D動(dòng)態(tài)流體動(dòng)力學(xué)軟件AutoReaGas建立障礙物截面不同變化方式和趨勢(shì)的爆炸模型，發(fā)現(xiàn)障礙物截面的2種漸變方式對(duì)可燃?xì)怏w的爆炸參數(shù)有很大影響。

從以上的研究可以看出，許多學(xué)者對(duì)障礙物的阻塞率、間距和數(shù)量，以及障礙物的形狀進(jìn)行了大量的研究。礦井井下設(shè)備與巷道壁面的間距對(duì)預(yù)混氣體爆炸有何影響，在該方面的研究相對(duì)較少。本文以體積分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷-空氣混合氣體為研究對(duì)象，運(yùn)用自建的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究障礙物與管道壁面間距比的改變對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀治霰▔毫突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律，為工業(yè)和井下設(shè)備的安裝提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由爆炸實(shí)驗(yàn)管道，點(diǎn)火系統(tǒng)，配氣系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)，光電和壓力信息采集系統(tǒng)等，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管道為方形有機(jī)玻璃管道，長(zhǎng)1 000 mm，截面寬為100 mm，右側(cè)封閉，另一端采用PVC膜進(jìn)行密封。利用德國(guó)Lavision4G高速攝像機(jī)進(jìn)行圖片采集，圖像采集頻率為2 kHz，主要記錄瓦斯爆炸火焰鋒面在管道傳播過程，用于計(jì)算火焰的速度。利用Keller PR-23型高頻壓力傳感器采集爆燃超壓，壓力傳感器的采集范圍為-0.1～0.2 MPa，時(shí)間響應(yīng)為0.02 ms，最大采集頻率為50 kHz，安裝在實(shí)驗(yàn)管道最大壓力位置的右側(cè)封閉端[20]。RL-1紅外光電傳感器，用于記錄點(diǎn)火的開始時(shí)刻，壓力和光電傳感器通過USB-1208FS型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，采樣頻率為15 kHz。點(diǎn)火系統(tǒng)使用自制的高頻脈沖點(diǎn)火器，點(diǎn)火電壓為6 V，點(diǎn)火能量為0.2 J，放置在管道右側(cè)封閉端。實(shí)驗(yàn)采用排氣法進(jìn)行預(yù)混氣體的充氣，利用2個(gè)質(zhì)量流量計(jì)控制氣體，配置成9.5%的預(yù)混氣體，甲烷氣體流量為0.76 L/min，空氣氣體流量7.24 L/min，充氣6 min。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The experimental system diagram

實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)設(shè)置2處障礙物安裝位置，分別距離管道右端200，400 mm處。障礙物種類是由3種不同阻塞率的長(zhǎng)方平板構(gòu)成，其寬度分別為30，50，70 mm，有著相同的長(zhǎng)度和厚度，且長(zhǎng)度和厚度分別為100，10 mm。實(shí)驗(yàn)采用的管道為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，障礙物物與管道壁面存在2個(gè)間距值，以這2個(gè)間距值較小的值作為研究值，即實(shí)驗(yàn)的間距比(φ)表示：

式中：Vmin為障礙物與管道壁面間距較小的值；Vmax為障礙物與管道壁面間距較大的值。

3種不同阻塞率的長(zhǎng)方形平板障礙物在管道截面安放的位置如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)方形平板障礙物在管道截面的安放情況Fig.2 Rectangular obstacles placed in the pipe cross section

障礙物下壁與管道下壁的距離為0時(shí)，記為工況一；障礙物下壁與管道下壁間距為a時(shí)，記為工況二；當(dāng)障礙物下壁與管道下壁間距為b時(shí)，記為工況三，其中不同阻塞率的長(zhǎng)方平板障礙物所對(duì)應(yīng)a，b的數(shù)值大小如表1所示。不同阻塞率的障礙物可以構(gòu)成具有相同間距比的工況一、工況二、工況三，對(duì)應(yīng)的間距比分別為0，0.25，0.5。

表1 3種不同阻塞率長(zhǎng)方形平板移動(dòng)距離a，b數(shù)值Table 1 Three different blocking rate of rectangularplate moving a, b values

2 結(jié)果與討論

2.1 管道與障礙物壁面間距變化對(duì)爆燃超壓的影響

如圖3所示相同阻塞率不同工況下的爆燃超壓曲線圖。對(duì)不同工況的壓力曲線，在爆炸前期壓力變化相似，上升的比較緩慢，且經(jīng)歷1個(gè)壓力峰值P0，該峰值主要是由于管道末端密封膜破裂泄壓所產(chǎn)生，P0為PVC膜破裂的壓力值。壓力經(jīng)歷短暫的緩慢加速之后，開始急速增加，同時(shí)不同工況的壓力曲線變化出現(xiàn)差異，主要是障礙物與火焰的相互作用，使得壓力曲線出現(xiàn)差異。達(dá)到峰值之后的壓力曲線急劇下降，之后震蕩變化。從壓力曲線圖上可以看出：隨著間距比的增加，爆燃峰值壓力在增加，同時(shí)達(dá)到最大爆燃?jí)毫O值的時(shí)間總體也在提前。如圖4所示，預(yù)混氣體達(dá)到最大爆炸壓力時(shí)刻的火焰鋒面燃燒圖像。在阻塞率相同時(shí)，障礙物從工況一(φ=0)到工況三(φ=0.5)變化中，障礙物對(duì)火焰鋒面結(jié)構(gòu)的作用也發(fā)生改變。隨著障礙物距離管道壁面間距比的增加，障礙物對(duì)火焰鋒面拉伸作用越大，使得火焰鋒面的燃燒面積增加?；鹧嫒紵娣e決定了燃燒速率，火焰燃燒面積最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，就是達(dá)到最大的爆炸壓力時(shí)刻。同時(shí)，圖4顯示爆燃超壓達(dá)到峰值時(shí)刻火焰鋒面所在的管道軸向位置，對(duì)于阻塞率為70%的障礙物，火焰燃燒鋒面在第1個(gè)和第2個(gè)障礙物之間，對(duì)于阻塞率為30%和50%障礙物，火焰鋒面繞過了第2個(gè)障礙物。出現(xiàn)峰值壓力時(shí)刻火焰位置都是在與障礙物相互作用之后產(chǎn)生，因而會(huì)出現(xiàn)峰值壓力時(shí)刻的差異。而阻塞率70%的障礙物達(dá)到峰值壓力時(shí)刻差異較小，主要原因是火焰鋒面產(chǎn)生最大時(shí)刻在2個(gè)障礙物之間。相比于2障礙物對(duì)火焰的作用，1個(gè)障礙物對(duì)火焰的作用較小。同時(shí)阻塞率過大也是壓力差異較小的另外原因。

圖3 不同阻塞率不同工況的壓力曲線Fig.3 Pressure curves of different cases under different blocking rates

圖4 壓力峰值時(shí)刻火焰燃燒結(jié)構(gòu)Fig.4 Pressure peak time flame burning structure

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，阻塞率為70%障礙物在工況三時(shí)產(chǎn)生最大168.2 kpa的爆炸壓力。主要是由于阻塞率較大，燃燒超壓釋放受到限制，造成壓力較大。對(duì)比分析不同阻塞率的障礙物在3種間距比下的峰值壓力可知：相比于各自φ=0時(shí)的爆燃峰值壓力，阻塞率30%的障礙物在φ=0.25處的峰值壓力增加21.9%，在φ=0.5處的峰值壓力增加61.2%；阻塞率50%的障礙物在φ=0.25處的峰值壓力增加55.6%，在φ=0.5處的峰值壓力增加101.8%；阻塞率70%的障礙物在φ=0.25處的壓力峰值增加53.8%，在φ=0.5處的峰值壓力增加93.3%。從對(duì)比結(jié)果可以看出，阻塞率為50%障礙物的峰值壓力增量比受間距比改變影響最大。阻塞率為50%時(shí)，障礙物會(huì)對(duì)可燃預(yù)混氣體產(chǎn)生最大的爆炸壓力影響[21]。結(jié)合火焰?zhèn)鞑D像，分析間距比的改變對(duì)爆燃超壓的影響，如圖5所示 50%的障礙物3種工況火焰?zhèn)鞑D。隨著障礙物與管道壁面間距比的增加，燃燒火焰鋒面通過障礙物的方式發(fā)生改變。從圖5可以看出，火焰在3種工況下繞過障礙物的傳播情況，工況一(φ=0)，火焰只從管道上側(cè)通過，同時(shí)在管道下壁側(cè)有較大的未燃區(qū)域；工況二(φ=0.25)，火焰主要是從管道上側(cè)通過，下側(cè)經(jīng)過的火焰相對(duì)較少，且火焰通過障礙物上下兩側(cè)的時(shí)間有所差異；工況三(φ=0.5)，火焰經(jīng)過障礙物上下兩側(cè)，且通過時(shí)間大致相似?；鹧嬖?種工況下表現(xiàn)出不同的傳播結(jié)構(gòu)，是由于障礙物與管道壁面間距不同，造成障礙物與火焰相互作用的結(jié)果有所差異。障礙物與管道壁面間距的變化，改變火焰鋒面經(jīng)過障礙物時(shí)的拉伸情況，同時(shí)也會(huì)造成未燃?xì)怏w在湍流程度的差異，火焰鋒面拉伸越大、未燃?xì)怏w湍流程度越強(qiáng)，火焰的燃燒效率也就越大。從圖3可以看出，3種阻塞率的障礙物，在工況三的情況下能夠產(chǎn)生最大爆燃超壓，因此當(dāng)障礙物將經(jīng)過的火焰均勻分散時(shí)，障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懽畲蟆?/p>

圖5 阻塞率50%障礙物在不同間距比下的火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)Fig.5 Flame propagation structure of obstruction ratio 50% under different spacing ratios

圖6 障礙物作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€Fig.6 Flame propagation velocity curve under obstacle

2.2 管道與障礙物壁面間距的改變對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

如圖6和圖7所示，可以將火焰?zhèn)鞑ミ^程分為2個(gè)階段：第一階段是平穩(wěn)傳播階段，在實(shí)驗(yàn)管道上對(duì)應(yīng)位置為從點(diǎn)火源到第1個(gè)障礙物處；第二階段是震蕩上升傳播階段，在實(shí)驗(yàn)管道上對(duì)應(yīng)位置為從第1個(gè)障礙物到管道出口處。在火焰?zhèn)鞑サ牡谝浑A段，火焰?zhèn)鞑ニ俣绕椒€(wěn)增加，且加速度較小，可以認(rèn)為該階段為層流燃燒階段。在火焰?zhèn)鞑サ牡诙A段，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)歷3次加速過程，2次減速過程，且3次加速的加速度在逐漸增加?；鹧嫠俣鹊那?次加速，主要是火焰鋒面受到傳播截面的變小，導(dǎo)致火焰鋒面在爆燃?jí)毫︱?qū)使下擠壓通過變小的截面，造成速度的增大?；鹧?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)過2次降低，主要是傳播空間的變大，擠壓作用變小，同時(shí)火焰鋒面受到湍流卷吸的作用，鋒面火焰速度降低。第3個(gè)加速度的出現(xiàn)，主要是在經(jīng)過2個(gè)障礙物之后，在較強(qiáng)的湍流作用下，火焰的燃燒相對(duì)比較充分，同時(shí)泄爆管口的約束較小，速度開始第3次增加。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，阻塞率為50%的障礙物在不同間距比作用下，火焰第3次加速位置有所不同，主要是火焰在經(jīng)過2次的障礙物作用之后，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)差異，所以加速的位置有所不同。圖7顯示，間距比的改變，在第2個(gè)障礙物之前對(duì)火焰速度的影響不大，火焰經(jīng)過第2個(gè)障礙物之后，火焰?zhèn)鞑サ较嗤恢脮r(shí)速度出現(xiàn)一定的差距。主要是因?yàn)樵诮?jīng)過2個(gè)障礙物之后，火焰的燃燒曲面，以及未燃?xì)怏w湍流程度都有增大。在通過第2個(gè)障礙物以后，燃燒火焰與未燃?xì)怏w有很好地相互作用空間，同時(shí)管道出口處泄壓膜的破裂，火焰在管道軸向傳播限制較少，火焰發(fā)展較快，使得障礙物在管道截面位置的改變對(duì)速度的影響有所體現(xiàn)。

圖7 阻塞率50%的障礙物作用下火焰?zhèn)鞑デ€Fig.7 The flame propagation curve under the blockage ratio of 50%

從圖7中可以看出，不同阻塞率障礙物間距比從φ=0到φ=0.5的改變過程中，火焰鋒面?zhèn)鞑テ骄俣瓤傮w是在增加。如圖8所示，對(duì)于阻塞率為30%和50%的長(zhǎng)方形平板障礙物，2種隨著間距比的增大到達(dá)出口的時(shí)間逐漸提前，阻塞率70%的障礙物在不同間距比下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗤?，但出口處的速度有所差異?/p>

圖8 不同工況達(dá)到出口時(shí)刻Fig.8 Different cases to reach the export time

火焰?zhèn)鞑ニ俣?vf)計(jì)算公式[22]：vf=vu+Sl

式中：vu為未燃?xì)怏w在火焰面的垂直方向上的運(yùn)動(dòng)速度；Sl預(yù)混氣體的燃燒速度。

由公式可以看出火焰?zhèn)鞑ニ俣仁怯?個(gè)參數(shù)決定。當(dāng)障礙物與火焰相互作用時(shí)，會(huì)增加未燃?xì)怏w的燃燒速度，因而會(huì)引起爆炸壓力增大。實(shí)驗(yàn)過程采用的是泄爆管道，當(dāng)泄爆膜破裂時(shí)，爆炸壓力在管道軸向的傳播受到的限制較小，壓力波會(huì)驅(qū)使未燃?xì)怏w的傳播。因此爆炸壓力的大小決定著未燃?xì)怏w傳播速度，爆燃?jí)毫υ酱?，?duì)未燃?xì)怏w的作用越強(qiáng)，未燃?xì)怏w傳播速度越大。障礙物與火焰的相互作用，同時(shí)改變了未燃?xì)怏w的傳播速度和燃燒速度，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)增加。當(dāng)障礙物與管道壁面的間距發(fā)生變化時(shí)，障礙物對(duì)火焰的拉伸和卷吸也發(fā)生改變，燃燒效率發(fā)生改變，形成壁面間距的改變對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟町悺?/p>

3 結(jié)論

1)隨著間距比的增大，障礙物對(duì)預(yù)混氣體爆炸特性的影響也就越大。其中當(dāng)障礙物在管道中心位置使傳播火焰均勻分散時(shí)，對(duì)瓦斯爆燃特性的影響最大。

2)間距比的改變對(duì)爆炸壓力增量比的變化是隨著障礙物阻塞率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。障礙物與管道壁面間距比改變，對(duì)阻塞率50%的障礙物爆炸壓力增量比的影響最大，相比于間距比為0時(shí)的爆燃超壓，間距比為0.25和0.5的爆燃超壓分別增加了55.6%，101.8%。

3)當(dāng)障礙物阻塞率不超過50%時(shí)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S間距比的增加而增大；當(dāng)障礙物阻塞率超過50%時(shí)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣然静蛔儭?/p>

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