角聯(lián)管網(wǎng)瓦斯爆炸沖擊波與火焰波的傳播特性?

賈進(jìn)章 田秀媛 趙 丹 王楓瀟

①遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院(遼寧阜新，123000)

②礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點試驗室(遼寧阜新，123000)

③湛江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院(廣東湛江，524000)

引言

瓦斯爆炸是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)安全的頭號殺手。關(guān)于瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波和火焰波傳播規(guī)律方面的研究引起了眾多學(xué)者的濃厚興趣，取得了豐碩的成果[1-4]。

Mason等[5]在半封閉實驗管道中進(jìn)行了甲烷-空氣爆炸實驗，探究了管道內(nèi)火焰的加速傳播過程。Lee 等[6]全面研究了火焰加速傳播及其爆燃轉(zhuǎn)爆轟的過程。Blanchard 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，沖擊波經(jīng)過90°管道時爆炸超壓顯著增強(qiáng)。Thomas 等[8]發(fā)現(xiàn)，爆炸沖擊波流經(jīng)彎管時，由于彎曲過度區(qū)域的影響，會出現(xiàn)湍流加速與燃燒速率突變現(xiàn)象。Jia 等[9]研究了不同截面形狀管道中瓦斯爆炸的傳播特性，發(fā)現(xiàn)梯形管道中爆炸壓力達(dá)到峰值所需時間最長、溫度最低、火焰?zhèn)鞑ニ俾首钚?。趙丹等[10]發(fā)現(xiàn)，不同形狀管道中爆炸超壓增長速率由快到慢依次為T 型、X型和L 型，超壓衰減速率從大到小依次為L 型、T 型和X 型。Niu 等[11]發(fā)現(xiàn):橫向分支會形成一個超壓上升區(qū)；在平行支路中，最大爆炸超壓呈逐漸下降趨勢，火焰?zhèn)鞑ニ俾食噬仙笙陆第厔荨钋耙獾萚12]得到了沖擊波超壓峰值的衰減速率隨彎管角度的增大而增大的結(jié)論。黃強(qiáng)等[13]探究了爆炸腔內(nèi)不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯發(fā)生爆炸時的傳播特征和90°彎管的泄爆特性，結(jié)果表明:爆炸沖擊波在管道中傳播為多次超壓，超壓峰值逐漸減??；瓦斯體積分?jǐn)?shù)為5.8%～11.0% 時，沖擊波超壓峰值和火焰大小經(jīng)90°彎管道后均有較明顯的衰減。朱傳杰等[14]發(fā)現(xiàn):在爆炸初期，爆炸超壓峰值在并聯(lián)管道的兩端都較為接近，且并聯(lián)管道中的超壓衰減速率較為接近。解北京等[15-16]利用透明丁字管道系統(tǒng)和帶有任意傾角的實驗管道研究了不同封閉條件下甲烷爆炸的火焰前鋒傳播特性。Qiu 等[17]研究了瓦斯爆炸沖擊波在不同彎頭管道中的超壓傳播規(guī)律，得到了沖擊波超壓衰減系數(shù)的表達(dá)式，結(jié)果表明:管道方向的改變加速了沖擊波的衰減。

高建良等[18]研究了沖擊波超壓在對稱角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的變化特征和角聯(lián)分支對主巷道內(nèi)沖擊波傳播的影響。景國勛等[19]探究了管口封閉材料對分岔管道中爆炸壓力和火焰速率的影響，結(jié)果表明:隨著分岔角度增大，管道中爆炸壓力和火焰速率均增大。馬恒等[20]在H 型巷道中研究瓦斯爆炸及泄爆過程中壓力及風(fēng)流流態(tài)的變化，結(jié)果表明:爆炸沖擊波經(jīng)巷道壁面反射后與正向沖擊波疊加，增大了疊加區(qū)域的壓力。劉玉姣等[21]基于HLLC 算法對瓦斯爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了兩個爆炸腔體同時點火條件下的沖擊波衰減規(guī)律。孟亦飛等[22]、董銘鑫等[23]使用Fluent 軟件研究了大尺寸管網(wǎng)中沖擊波和火焰波變化特性，但未研究沖擊波衰減特性和火焰波突變特性。

關(guān)于瓦斯爆炸傳播特性的研究大多從長直管道和簡單的平行管道或單分支管道開展[24-27]。除此之外，在管網(wǎng)中開展的部分研究[1，11]未能定量或定性地確定沖擊波、火焰波的傳播特性，研究結(jié)論普適性不強(qiáng)?；诖?，將并聯(lián)管路、分岔管路與帶有傾角的角聯(lián)管路進(jìn)行組合，研究角聯(lián)管網(wǎng)中瓦斯爆炸沖擊波和火焰波的傳播特性。

1 實驗

實驗管網(wǎng)系統(tǒng)(圖1)主要由實驗管網(wǎng)和爆炸腔體組成。爆炸腔體容積為0.5 m3，各管道內(nèi)徑為500 mm，管壁厚度為15 mm，耐壓20 MPa 以上[28]。管網(wǎng)由5 條支管組合而成，每條支管上設(shè)置2 個測點。各管道之間由螺絲緊密連接，管網(wǎng)出口用法蘭盤封閉，管道上設(shè)有安裝傳感器的螺紋孔，各管道連接處均安裝密封墊片以提高設(shè)備密封性，采用聚四氟乙烯薄膜將爆炸腔體和管道隔開。爆炸腔體抽真空后，通入體積分?jǐn)?shù)9.5%的瓦斯實驗氣體，管道中為常壓空氣。點火時，接通外觸發(fā)裝置開關(guān)，同時確保點火器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步開始工作，待裝置上信號燈亮之后，按下外觸發(fā)裝置上的觸發(fā)按鈕，觸發(fā)點火。點火系統(tǒng)主要包括DX-GDH 高能點火器、高能火花塞、耐高壓高溫電纜、電源電纜以及外部觸發(fā)裝置?；鸹ㄈ糜诒ㄇ惑w最前端，發(fā)火電壓2 200 V，單次儲能30 J。采用TST6300 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集動態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括CYG1721 型高精度壓力傳感器、具有侵蝕性探頭的NANMACE6 系列快速響應(yīng)熱電偶、CKG100 型光敏火焰?zhèn)鞲衅?。所有傳感器的采樣時間均為1 ms，采樣精度為0.2%FS。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 沖擊波傳播特性

圖2 為測得的各測點的沖擊波超壓隨時間的變化情況。對圖2 分析可得各測點的沖擊波參數(shù)，如表1 所示。

表1 各測點的沖擊波參數(shù)Tab.1 Parameters of shock waves at each monitoring point

支管L1中，測點1＃和測點2＃處的超壓峰值皆出現(xiàn)在反應(yīng)初期。測點1＃在0.209 s 達(dá)到超壓峰值，為0.453 MPa；在0.478 s 時，爆炸超壓出現(xiàn)明顯的拐點并有短暫的持續(xù)上升趨勢。這主要是由于與支管L1相連接的支管L4和支管L5中沖擊波壓力回流共同作用，在L1管中出現(xiàn)了一個較大的超壓極大值，反應(yīng)后期的超壓逐漸衰減。測點2＃在0.252 s達(dá)到峰值(0.421 MPa)，較測點1＃處超壓峰值有明顯的下降，說明角聯(lián)管網(wǎng)中的壓力沖擊波在直管中經(jīng)過分岔管道后有了明顯的衰減現(xiàn)象。在爆炸中后期，測點2＃的超壓小于測點1＃，且波動更小，這是由于測點2＃所處位置相對靠后，受其他支管中壓力沖擊波的影響較測點1＃小。

支管L2中，壓力沖擊波的疊加與衰減次數(shù)較支管L1中沖擊波明顯增加，整個過程中出現(xiàn)的超壓極值點數(shù)量有所增加。在爆炸初期，由于其他管路中壓力沖擊波的多次疊加與衰減，測點3＃處壓力沖擊波出現(xiàn)了小幅振蕩波動，在0.574 s 達(dá)到超壓峰值(0.379 MPa)；隨后，出現(xiàn)衰減趨勢；在0.732 s 時，由于受到支管L1中經(jīng)直角管道后的壓力沖擊波的疊加作用，爆炸超壓出現(xiàn)明顯的持續(xù)上升趨勢，并在0.850 s 時達(dá)到極大值；之后，隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，沖擊波不斷衰減，總體上呈下降趨勢。測點4＃處的超壓在前0.400 s 中升降波動變化較??；在0.400 s 之后，出現(xiàn)了超壓激增現(xiàn)象；在經(jīng)過多次的升降浮動變化之后，于0.615 s 時，達(dá)到了超壓峰值(0.342 MPa)；隨著爆炸反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，后期壓力沖擊波逐漸衰減。

支管L3中，壓力沖擊波的升降次數(shù)略有增加。測點5＃處的超壓出現(xiàn)了兩次明顯的極大值:較早一次極大值出現(xiàn)在0.502 s，此次峰值出現(xiàn)的原因主要是壓力沖擊波第一次正向傳播，并經(jīng)過兩次管道拐彎的加速影響；第二次出現(xiàn)極大值(0.386 MPa)是在0.769 s，出現(xiàn)的主要原因是正向沖擊波衰減過程中，受其他管路中沖擊波疊加影響而再次增加，隨著爆炸結(jié)束，沖擊波不斷地衰減，超壓開始迅速下降。測點6＃因位置更加靠近爆炸源，故超壓在0.505 s 時達(dá)到最大(0.415 MPa)；在0.926 s時，因泄爆口泄壓影響，超壓降至整個過程中的最小值；此后，雖然受到其他管路中壓力沖擊波的疊加影響，超壓出現(xiàn)小幅升降波動，但總體變化較小。

支管L4中:測點8＃在正向壓力沖擊波出現(xiàn)了超壓峰值；而測點7＃是受到多股壓力沖擊波的疊加作用而出現(xiàn)超壓峰值。測點8＃因為距離測點1＃較近，所以，在爆炸初期的壓力沖擊波經(jīng)過分岔管道而加速，在0.403 s 出現(xiàn)了超壓峰值(0.402 MPa)；隨后，壓力沖擊波的衰減作用逐漸超過了沖擊波的疊加效應(yīng)，而成為了超壓變化的主導(dǎo)因素，所以超壓呈不斷下降趨勢。測點7＃處，由于受到正向沖擊波的作用，約在0.426 s 時出現(xiàn)了第一個超壓極大值；之后，隨著壓力沖擊波的疊加效應(yīng)，超壓出現(xiàn)了3 個較為明顯的極大值，在0.989 s 時超壓達(dá)到了最大值(0.364 MPa)，此時，爆炸已進(jìn)入中、后期，所以超壓峰值較測點8＃處的峰值有一定差距。

支管L5中，2 個測點均因為正向沖擊波的作用而達(dá)到超壓峰值。測點9＃距測點1＃較近，所以，爆炸初期的壓力沖擊波經(jīng)過直角管道而加速，超壓迅速增大，在0.435 s 時，出現(xiàn)了超壓峰值(0.392 MPa)；隨后，壓力沖擊波的衰減作用逐漸增強(qiáng)，在此期間，沖擊波的疊加與衰減的同時作用下，沖擊波在0.600 s 左右出現(xiàn)了多次振蕩波動，最終，隨著爆炸的進(jìn)行，沖擊波進(jìn)一步衰減。測點10＃因靠近泄爆口，壓力沖擊波的變化趨勢波動較小，在0.495 s時，達(dá)到了超壓峰值(0.358 MPa)；隨后，壓力沖擊波開始逐漸衰減。

通過上述實驗可以發(fā)現(xiàn):與直管或簡單分叉管道中不同，沖擊波超壓在衰減時期并不隨時間的增大呈現(xiàn)逐步減小的狀態(tài)，而是出現(xiàn)了多次的超壓反復(fù)增減變化。其原因主要是由于角聯(lián)管網(wǎng)中各管道的相互連通，組成了多個回路，沖擊波在整個傳播過程中經(jīng)歷了多次同向疊加與相向?qū)_，從而出現(xiàn)了與在簡單管路中截然不同的傳播特性，即沖擊波在角聯(lián)管網(wǎng)中的傳播呈現(xiàn)復(fù)雜無序狀態(tài)。

平均升壓速率和爆炸威力指數(shù)[29]是表征瓦斯爆炸沖擊波超壓變化特性的重要參數(shù)。平均升壓速率為

式中:pm為最大爆炸壓力，MPa；p0為初始壓力，MPa；△t為由初始壓力增大到最大爆炸壓力所用時間，s。

瓦斯爆炸破壞力大小主要是由爆炸威力指數(shù)決定的。

式中:K為爆炸威力指數(shù)，1012Pa2/s；pm為最大爆炸壓力，MPa；v為平均升壓速率，MPa/s。

各測點和平均升壓速率爆炸威力指數(shù)見表1。

由表1 可知:各測點爆炸威力由強(qiáng)到弱的順序分別為:測點1＃、測點2＃、測點8＃、測點9＃、測點6＃、測點10＃、測點3＃、測點5＃、測點4＃、測點7＃；斜角聯(lián)支管L4中，測點8＃處爆炸威力指數(shù)大于并聯(lián)支管L2、L5中的測點3＃和測點9＃，說明沖擊波傳播在不同的管道結(jié)構(gòu)時(圖3)，流經(jīng)45°分岔管道中爆炸威力最大。同時，測點7＃的爆炸威力指數(shù)在各測點中最小，說明沖擊波在斜角聯(lián)支管中的壓力損失較并聯(lián)支管壓力損失更大，超壓爆炸威力下降幅度更大。

2.2 火焰波傳播特性

火焰波傳播速率是表征瓦斯爆炸火焰波變化特性的重要參數(shù)[30-32]。記錄管網(wǎng)各支管中相鄰兩個測點處的火焰波到達(dá)時間，可計算出火焰?zhèn)鞑サ钠骄俾?/p>

式中:vi為相鄰2 個監(jiān)測點之間的火焰?zhèn)鞑テ骄俾剩琺/s；△l為相鄰2 個監(jiān)測點之間的距離，m；△t為火焰波經(jīng)過相鄰2 個監(jiān)測點的時間，s。

管網(wǎng)中各支管的火焰波鋒面?zhèn)鞑ニ俾驶谠诘刃l件下進(jìn)行的2 次實驗結(jié)果。計算2 個實驗測量的算術(shù)平均值，以確定每個分支管道中的火焰波速率峰值，計算結(jié)果見表2。

表2 各支管火焰?zhèn)鞑ニ俾蔜ab.2 Propagation speed of flame in each branch pipe

由表2 可知，各支管中的火焰?zhèn)鞑ニ俾视纱蟮叫?L3、L2、L4、L5、L1。L3中的火焰?zhèn)鞑ニ俾首羁欤饕蚴怯捎贚3中出現(xiàn)了更大的壓力損失，損失的一部分壓力發(fā)生了能量轉(zhuǎn)換，對火焰鋒面起到了加速作用，導(dǎo)致L3中的火焰波在加速過程中具有更高的加速梯度，火焰波傳播速率峰值在所有支管中最高。

同理，L2、L4和L5中的火焰?zhèn)鞑ニ俾史逯翟诨鹧孀约铀贆C(jī)制的基礎(chǔ)上受到了壓力損失而帶來的能量轉(zhuǎn)化的加速作用，但因壓力損傷較L3更小，所以加速程度相對較小。而L1中的火焰?zhèn)鞑ニ俾史逯翟谒兄Ч苤凶畹汀＿@是因為，在爆炸的初始階段，L1中2 個測點的超壓峰值在所有監(jiān)測點中分列前兩位，因此，L1中的超壓峰值高于其他支管；同時，意味著L1中的壓力損失在所有支管中最小。而爆炸初始階段火焰波的加速梯度較小，L1中較小的壓力損失帶來的能量轉(zhuǎn)化對火焰波自加速機(jī)制的促進(jìn)作用較小，導(dǎo)致L1中的火焰波速率峰值在所有支管中最小。

3 結(jié)論

在自主設(shè)計搭建的角聯(lián)管網(wǎng)中研究了瓦斯爆炸沖擊波、火焰波的傳播特性，得到以下主要結(jié)論:

1)在角聯(lián)管網(wǎng)中，瓦斯爆炸出現(xiàn)了多次的超壓反復(fù)增減變化，沖擊波的正向傳播和在管網(wǎng)所有互連管道中的反向傳播疊加在一起，導(dǎo)致沖擊波的傳播呈現(xiàn)復(fù)雜無序狀態(tài)。

2)各測點爆炸威力由強(qiáng)到弱的順序為:測點1＃、測點2＃、測點8＃、測點9＃、測點6＃、測點10＃、測點3＃、測點5＃、測點4＃、測點7＃。沖擊波在不同的管道結(jié)構(gòu)傳播時，流經(jīng)45°分岔管道中爆炸威力最大。沖擊波在斜角聯(lián)支管中的壓力損失較并聯(lián)支管壓力損失更大，超壓爆炸威力下降幅度更大。

3)各支管中，斜角聯(lián)支管中的火焰波傳播速率最快，底部直管中的火焰波傳播速率最慢。壓力損失更大的支管中的火焰波加速梯度更大，火焰波傳播速率更高，而壓力損失較小支管中的火焰波加速梯度更小，火焰波速率更低。

綜上，瓦斯爆炸沖擊波、火焰波傳播過程中的傳播特性明顯受到管網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)的影響。在實際煤礦生產(chǎn)活動中存在類似的角聯(lián)結(jié)構(gòu)巷網(wǎng)。因此，在角聯(lián)管網(wǎng)中研究瓦斯爆炸沖擊波、火焰波傳播過程中的特性對掌握瓦斯爆炸災(zāi)害的傳播規(guī)律具有一定的借鑒意義。在此研究基礎(chǔ)上可為瓦斯爆炸災(zāi)后應(yīng)急救援方案的擬定和實施提供理論指導(dǎo)。