基于激波管系統(tǒng)對(duì)瓦斯爆炸的研究

胡 洋，楊雨欣，吳秋遐

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤炭是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的最穩(wěn)定能源，長(zhǎng)期并且在未來(lái)也將位于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)最主要的位置。井下開(kāi)采是我國(guó)煤礦最主要的開(kāi)采形式[1]，相較于地面作業(yè)，由于局限的開(kāi)采技術(shù)、特殊復(fù)雜的環(huán)境條件和參差不齊的人員素質(zhì)，煤礦安全不容小覷，煤礦事故頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煤礦行業(yè)的安全事故死亡人數(shù)和事故數(shù)量中，頂板和瓦斯事故均占一半以上，其中，瓦斯事故以瓦斯爆炸事故最為常見(jiàn)[2]。煤礦井下瓦斯爆炸等安全事故不僅僅帶來(lái)生命財(cái)產(chǎn)損失，更會(huì)給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成負(fù)面影響，嚴(yán)重威脅人民安居樂(lè)業(yè)和社會(huì)穩(wěn)定。徐婷婷等[3]通過(guò)Fluent軟件模擬瓦斯-煤塵爆炸過(guò)程，得到壓力波、溫度的傳播云圖和不同粒徑的煤塵對(duì)爆炸壓力值的影響關(guān)系；余高明等[4]利用小尺寸爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?得到瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取毫ψ畲蟮捏w積分?jǐn)?shù)為9.5%；李潤(rùn)之等[5]通過(guò)球型爆炸罐體裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得道瓦斯?jié)舛扰c最大爆炸壓力及最大壓力上升速率之間的關(guān)系。

綜上分析, 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)瓦斯爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行了廣泛研究, 但在中尺度激波管道內(nèi)進(jìn)行的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少,另外，現(xiàn)場(chǎng)模擬瓦斯爆炸事故不僅會(huì)消耗大量的財(cái)力物力，且有次數(shù)限制，因此，建立了一套國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的中尺度瓦斯爆炸激波管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用以對(duì)煤礦井下、化工車(chē)間等復(fù)雜環(huán)境下的燃燒、爆炸現(xiàn)象進(jìn)行模擬，探究氣體、兩相爆炸和爆轟的傳播現(xiàn)象及流場(chǎng)內(nèi)部機(jī)理。

1 中尺度瓦斯爆炸激波管道系統(tǒng)

中尺度瓦斯爆炸激波管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由爆炸激波管道、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、光譜測(cè)試系統(tǒng)、超高速紋影系統(tǒng)、時(shí)間同步控制系統(tǒng)、預(yù)混氣體配置與真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖

1.1 爆炸激波管道系統(tǒng)

自主搭建的中尺度爆炸激波管作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體裝置，主要由爆轟管道、位于管道尾端的泄爆倉(cāng)、支架和導(dǎo)軌組成。爆轟管整體采用多節(jié)拼裝，由法蘭盤(pán)連接，以便對(duì)其進(jìn)行拆解和搬運(yùn)，適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)需求。激波管體的主體材料為A20碳鋼以及冷拔無(wú)縫矩形鋼管，每段長(zhǎng)2500 mm，厚10 mm，內(nèi)截面為200 mm×200 mm正方形。

壓力和火焰?zhèn)鞲衅魑挥诰嚯x每節(jié)激波管250 mm和750 mm處的頂部和側(cè)面，安裝在尺寸為M20×1.5的孔座中。距試驗(yàn)段端面為500 mm處設(shè)置一個(gè)150 mm半徑的圓形可視化窗口，高速攝影、激光紋影等技術(shù)可通過(guò)有機(jī)玻璃窗口檢測(cè)管道內(nèi)部火焰、激波流場(chǎng)的變化情況，如圖4所示。

圖2 激波管體示意圖

圖3 激波管道系統(tǒng)

圖4 爆炸激波管實(shí)驗(yàn)段可視化窗口

1.2 光譜測(cè)試系統(tǒng)

光譜測(cè)試系統(tǒng)主要由瞬態(tài)光譜儀和ICCD相機(jī)組成。光譜儀主要可以分為色散光譜儀和調(diào)制光譜儀兩大類(lèi)，其中色散光譜儀的主體是分光元件，依據(jù)分光元件不同可將色散光譜儀細(xì)分為：棱鏡光譜儀、衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀三種。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配備型號(hào)為Shamrock750A的衍射光柵光譜儀，波長(zhǎng)范圍200～1100 nm，分辨率2400條/mm。

為了實(shí)現(xiàn)ICCD相機(jī)和光譜儀能夠在特定波長(zhǎng)條件下打開(kāi)并進(jìn)行暫態(tài)獲取的功能，在原光路出口增加一個(gè)30%折射率的半透半反鏡，既可以滿(mǎn)足慢速響應(yīng)的需要，又能改善瞬態(tài)光譜測(cè)試系統(tǒng)的精確性，如圖5為增加半透半反鏡后的折射曲線(xiàn)。

圖5 半透半反折射曲線(xiàn)

光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入光譜儀狹縫，經(jīng)過(guò)兩次反射到達(dá)光柵，由于波長(zhǎng)不同，通過(guò)光柵折射后光線(xiàn)傳播方向也會(huì)發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)，從而形成一系列離散的狹縫像，進(jìn)而在數(shù)據(jù)采集軟件上獲取所需的光譜圖像。光譜儀光路如圖6所示。

圖6 光譜儀內(nèi)部光路簡(jiǎn)化圖

1.3 其他系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配備高壓脈沖電源，電容器電容為0.02 μF，點(diǎn)火能量100 mJ，通過(guò)尖端放電的方式點(diǎn)燃預(yù)混氣體。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由東華數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DH8302)、壓力信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)和火焰信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持16通道采集、采樣頻率1 MHz。本系統(tǒng)采用ICP型高頻響壓電傳感器，靈敏度為0.145 mV/kPa，采樣頻率為1 MHz；火焰?zhèn)鞲衅?GT101)的核心部件為硅PIN光電二極管，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)得到測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。

激光紋影系統(tǒng)采用激光技術(shù)作為主要光源，利用紋影成像技術(shù)[5]探究不同因素對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的影響。由于平行光通過(guò)存在密度梯度的非均質(zhì)流場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)，因此從垂直于平行光線(xiàn)的方向可以得到相應(yīng)的紋影圖像，來(lái)反映流場(chǎng)內(nèi)部的密度梯度分布[6]。激光紋影系統(tǒng)主要包括激光器、凹球反射鏡、平面鏡、濾光片、刀口及升降平臺(tái)等光學(xué)元件[7，8]，將元件進(jìn)行排列組合可以滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)工況需求。通常配備凹球反射鏡的紋影系統(tǒng)會(huì)采用“Z”型光路設(shè)置[9]，這種布局相比于“M”型和“直線(xiàn)”型來(lái)說(shuō)，成像不會(huì)受到光線(xiàn)自身產(chǎn)生的影響[10]。

同步控制系統(tǒng)連接了多通道同步控制器，實(shí)現(xiàn)同一信號(hào)控制高壓點(diǎn)火、噴射惰性氣體及數(shù)據(jù)采集[11，12]。

預(yù)混氣體配置及真空系統(tǒng)由配氣系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)主要由旋片泵和羅茨泵組成，其中旋片泵抽速為90 m3/h，極限真空度0.7 Pa、羅茨泵抽氣速度為500 m3/h，極限真空度0.4 Pa；預(yù)混氣體配置系統(tǒng)利用管道外預(yù)混的原理進(jìn)行不同濃度的其他配置。

2 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

向中尺度爆炸激波管道充入9.5%的甲烷-空氣的預(yù)混氣體，在前六段和實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)的初步調(diào)試，得到初步調(diào)試數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖7為1-8號(hào)壓力傳感器的信號(hào)強(qiáng)度變化圖像，分析圖像可以得到，瓦斯在爆轟管道內(nèi)發(fā)生爆炸產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)管道內(nèi)壁后產(chǎn)生多次反射，造成管內(nèi)壓力持續(xù)震蕩。在密閉的實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)，火焰熱輻射作用形成的壓縮波緊隨前驅(qū)沖擊波之后，在傳播到達(dá)管道尾端后，經(jīng)過(guò)尾端盲板的反射反向傳播，從而形成一種可歸屬為壓縮波的反射波，引發(fā)壓力傳感器的信號(hào)改變。

圖7 各傳感器壓力信號(hào)

圖8為1-8號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)強(qiáng)度變化圖像，分析圖8可以得出，在瓦斯爆炸的前期，火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較慢，火焰陣面經(jīng)過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r(shí)間間隔較長(zhǎng)，造成位于管道前端的1-3號(hào)火焰?zhèn)鞲衅髦g接受火焰信號(hào)(即火焰陣面到達(dá)火焰?zhèn)鞲衅?存在較大的時(shí)間差?；鹧媸艿綌_動(dòng)的影響產(chǎn)生湍流效應(yīng)，致使位于管道中部的3-5號(hào)傳感器之間的時(shí)間差越來(lái)越短，即火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。隨著瓦斯爆炸反應(yīng)進(jìn)行到后期，火焰在經(jīng)過(guò)5號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱螅?-8號(hào)傳感器之間時(shí)間差逐漸增大，這是因?yàn)楣艿纼?nèi)反應(yīng)物減少，產(chǎn)生的能量不足以支撐反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢。也就是說(shuō)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俾氏仍龃蠛鬁p小。

圖8 各傳感器火焰信號(hào)

圖9為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的激光紋影圖像，可見(jiàn)當(dāng)火焰第一次到達(dá)觀察窗口時(shí)，火焰呈現(xiàn)明顯的指尖狀，這是因?yàn)榛鹧骊嚸媸艿捷S向的拉伸作用，中部速度大于兩側(cè)速度。當(dāng)激波穿過(guò)已燃?xì)怏w經(jīng)過(guò)火焰陣面到達(dá)未燃?xì)怏w，火焰陣面與反射波之間發(fā)生相互作用，火焰產(chǎn)生不明顯的回流現(xiàn)象。激波與火焰相遇后，由于火焰陣面前后的氣體存在密度梯度，火焰發(fā)生失穩(wěn)，對(duì)未發(fā)生反應(yīng)的氣體產(chǎn)生卷吸效應(yīng)，火焰?zhèn)鞑ゼ铀佟?/p>

圖9 激光紋影圖像

3 結(jié)論

(1) 本系統(tǒng)可以滿(mǎn)足不同工況的實(shí)驗(yàn)需求，在觀測(cè)氣體、兩相爆炸和爆轟的傳播及其機(jī)理方面，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為可靠。

(2) 測(cè)量瓦斯爆炸的壓力及火焰?zhèn)鞑?shù)據(jù)，可以幫助我們從宏觀和微觀角度充分認(rèn)識(shí)氣體的爆炸過(guò)程，有助于充分研究燃燒和爆炸現(xiàn)象，為減少災(zāi)害發(fā)生提供更充分的理論支撐。