不同濃度瓦斯爆炸傳播過程中的障礙物激勵效應(yīng)數(shù)值模擬研究

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院 北京 101601)

引言

我國高達(dá)95%的煤礦開采為地下開采方式，事故頻發(fā)，嚴(yán)重的危害了煤礦的安全生產(chǎn)和工作人員的生命安全[1]。其中瓦斯爆炸事故尤其嚴(yán)重，因此瓦斯爆炸事故一直是治理的重點。由于煤炭生產(chǎn)和開采安全的需求，煤礦巷道布置有大量的輸運礦車、支護(hù)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等設(shè)施設(shè)備、當(dāng)瓦斯爆炸事故發(fā)生時，這些設(shè)施設(shè)備阻礙了瓦斯爆炸沖擊波和火焰波的原始傳播途徑，對瓦斯爆炸沖擊波和火焰波具有激勵作用，增大了爆炸威力，使瓦斯爆炸危害性增大，因此有必要對瓦斯爆炸傳播過程中的障礙物激勵效應(yīng)進(jìn)行研究[2]。預(yù)防和消除重特大瓦斯爆炸事故需通過研究瓦斯爆炸傳播規(guī)律和影響其傳播因素來升級相應(yīng)的技術(shù)裝備，增加相應(yīng)的管理和培訓(xùn)措施，以此預(yù)防或者減少事故的發(fā)生。

一、瓦斯爆炸規(guī)律

瓦斯在空氣中的反應(yīng)是典型的支鏈反應(yīng)。支鏈反應(yīng)的特點在于：在反應(yīng)中一個自由基能生成一個以上的自由基。不論是何種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)都由三個階段構(gòu)成：即鏈的引發(fā)，鏈的傳遞(包括鏈的支化)和鏈的終止[3]。下面以瓦斯的主要成分甲烷和空氣的支鏈反應(yīng)為例進(jìn)行闡述。

甲烷與空氣混合物的爆炸是一種劇烈而迅速的支鏈反應(yīng)，對于甲烷，一般在高溫下氧化反應(yīng)進(jìn)程為：

CH4→CH3→H2CO→CO→CO2

甲烷氧化反應(yīng)可認(rèn)為是CH4、H2、H2CO和CO的氧化。這四個鏈在反應(yīng)過程中相互影響，例如，H2CO氧化時產(chǎn)物的自由基可加速CH4的氧化進(jìn)程。在甲烷氧化過程中，首先CH4分解為大量的基團，這一步驟速度相對較慢，在反應(yīng)起始階段基團的濃度較低。一旦反應(yīng)中心產(chǎn)生，O、OH、H和HO2就成為反應(yīng)的重要組成部分，在反應(yīng)中起主導(dǎo)作用并加速反應(yīng)過程。這些反應(yīng)將使CH4反應(yīng)生成CH3，在反應(yīng)初期基團中CH3的濃度最高。在誘導(dǎo)期中這部分反應(yīng)居主導(dǎo)地位。隨著CH3和O2或其他基團進(jìn)行反應(yīng)，中間產(chǎn)物的反應(yīng)率及濃度相對穩(wěn)定并對整體反應(yīng)起重要影響。綜上所述：在高溫狀態(tài)下CH4氧化的主要化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程為：①CH4氧化分解；②分子與基團反應(yīng)；③鏈分支反應(yīng)；④鏈終止。

瓦斯爆炸過程是一個化學(xué)反應(yīng)流動過程。幾乎所有的氣體爆炸過程中氣體流動狀態(tài)是湍流流動。由于氣體湍流流動增加了燃燒波面與未燃?xì)怏w的接觸面積，從而增加了氣體化學(xué)反應(yīng)速度。另一方面，較快的化學(xué)反應(yīng)速度反過來又影響氣體流動過程。因此，在氣體爆炸過程中，氣體反應(yīng)過程和流動過程是密切相關(guān)的，燃燒和氣體流動是相互耦合的、相互正反饋的關(guān)系[4]。

當(dāng)預(yù)混瓦斯氣體被引火源引燃后，會迅速形成一個以點火源為中心的小火球，并以同心球面波的形式一層層向外傳播。反應(yīng)過程中燃燒產(chǎn)物不斷膨脹，未燃?xì)怏w收到壓縮，產(chǎn)生一定的壓力梯度，形成前驅(qū)沖擊波，并不斷向外傳播。在前驅(qū)沖擊波作用下，火焰波不斷被驅(qū)動，未燃?xì)怏w被壓力波鋒面壓縮，并在高溫作用下被迅速點燃，形成新的火焰，迅速形成湍流，火焰加速并將瓦斯氣體全部點燃[5-7]。

二、Fluent數(shù)值模擬

(一)物理模型。在80m*3m*3m的管道中放置障礙物。在方形、球形、圓柱形三組障礙物中，將障礙物橫截面積固定為4m2，并保證其他條件一致，盡量確保其他條件一致的情況下障礙物形狀的變化對巷道瓦斯爆炸傳播的影響。重點分析爆炸場內(nèi)壓力、溫度及速度分布情況。為了使模擬結(jié)果更為明顯，因此在模型中每組障礙物設(shè)置四個，形狀大小均相同，在管道中呈直線分布，并且四個障礙物在各組模型中分布范圍一致。利用障礙物的連續(xù)激勵效應(yīng)增大對瓦斯爆炸傳播的影響，使模擬結(jié)果對比更加明顯，有利于結(jié)果比較分析。

仿真模擬對80m*3m*3m的管道充入濃度分別為5.5%、9.5%、13.5%的甲烷—空氣預(yù)混氣體，忽略管壁厚度。模型1至模型3分別放置三組不同形狀但相同截面積的障礙物，每組設(shè)置四個障礙物且障礙物全部規(guī)定在管道相同位置以便于對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。模型1中的障礙物為2m*2m*2m的正方體；模型2中的障礙物為直徑為2.258m的球狀物；模型3中的障礙物為底部直徑1.33m高3m的圓柱體。所有障礙物的底部中心點均排列在管道底部中心線上，具體坐標(biāo)為(15,0,1.5)；(20,0,1.5)；(25,0,1.5)；(30,0,1.5)。

(二)初始條件及邊界條件。網(wǎng)格尺寸劃分為0.25m*0.25m*0.25m。設(shè)置邊界條件：左端壁面設(shè)置為“Velocity inlet”，入口溫度2000K，右端壁面設(shè)置為“Pressure outlet”，出口溫度300K，其余都設(shè)置為“Wall”，溫度300K且為絕熱狀態(tài)。

三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

在不同濃度下相同障礙物的流場分布圖基本相同，故以下都以9.5%甲烷濃度云圖為例說明，而壓力、溫度、傳播速度上有明顯差異。

火焰通過方形和球形障礙物時，在第一個障礙物前壁面出現(xiàn)速度銳減現(xiàn)象，并且障礙物前壁面上方和障礙物兩側(cè)時火焰加速通過障礙物，經(jīng)過障礙物后，火焰再次加速；火焰通過圓柱形障礙物時，障礙物前壁面火焰陣面拉伸變形，出現(xiàn)湍流并減速，兩側(cè)火焰加速通過，經(jīng)過障礙物后又出現(xiàn)一個加速過程[8]。

四、結(jié)論

(1)本文通過Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了不同瓦斯?jié)舛认抡系K物對火焰?zhèn)鞑ビ绊懙臄?shù)值模擬，得到了數(shù)值模擬模型截面(Z=1.5m)處的壓力、溫度和速度分布圖和分布規(guī)律。

(2)障礙物擾動了爆炸火焰波傳播，形成高梯度的粘性邊界層，形成湍流，造成火焰陣面被拉伸變形，增加燃燒面積，引起火焰加速，加強湍流，湍流的加劇導(dǎo)致火焰陣面進(jìn)一步發(fā)生扭曲，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊倪M(jìn)一步增大，這成稱為火焰加速的正反饋機理。

(3)其他條件相同不變，改變障礙物形狀，瓦斯爆炸傳播規(guī)律發(fā)生變化。球形障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧骊嚸娴挠绊懽畲?，正方體障礙物影響相對較?。磺蛐握系K物情況下，爆炸壓力上升速率及火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，正方體障礙物影響最小。

(4)本文主旨在于完善巷道內(nèi)瓦斯爆炸傳播理論，為井下巷道瓦斯爆炸事故的防治提供理論依據(jù)，為設(shè)備設(shè)施的擺放提供技術(shù)指導(dǎo)。