礦井瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ピ囼炑芯?/h1>
2012-11-10 01:57:28王引群
山西煤炭 2012年9期
王引群
（山西煤炭運銷集團 吉縣盛平煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）
礦井瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ピ囼炑芯?/p>
王引群
（山西煤炭運銷集團 吉縣盛平煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）
通過數(shù)值模擬與實際試驗，研究了瓦斯爆炸火焰在管道內(nèi)傳播的結(jié)構(gòu)變化特性及其相應(yīng)的傳播規(guī)律。研究結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果走向基本一致，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著距離爆源距離的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。
瓦斯爆炸；火焰?zhèn)鞑?；有限元；?shù)值模擬
為了有效的防治瓦斯爆炸事故,降低其危害程度，研究瓦斯爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦允欠浅１匾摹１菊撐囊韵锏纼?nèi)的瓦斯氣體的爆炸火焰為研究對象，對其在巷道內(nèi)的傳播過程進行了數(shù)值模擬和試驗研究[1-2]。
1 試驗系統(tǒng)
1.1 試驗設(shè)備及設(shè)施
（1）試驗巷道：試驗管道采用尺寸為200 m×3 m×3 m長方形實驗管道，一端封閉，另一端開口；從巷道的封閉端處開始安裝火焰速度傳感器，1～11 m距離內(nèi)每隔2m安裝一個；11m～41m距離內(nèi)每隔5m安裝一個；41 m～81m距離內(nèi)每隔10m安裝一個，一共安裝16個火焰速度傳感器。（2）爆炸氣體:體積百分比濃度為9.0±0.5%的CH4與空氣混合物，體積70m3。（3）點火源:由內(nèi)置的電點火藥頭點火，安裝在距封閉端1m、高度1.25m處。（4）高速攝影機為型號REDLAKE MotionXtraN3，自動曝光系統(tǒng)，130萬像素，拍攝速度為1200幀/s。（5）同步動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)。
1.2 試驗方法
在常溫、常壓下，將濃度為9.0±0.5%的CH4與空氣混合物均勻混合后，緩緩的充入試驗巷道內(nèi)的密封端，使密閉段內(nèi)的CH4與空氣的混合氣體體積為70m3。相繼啟動同步動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)，開啟火焰速度傳感器并啟動點火裝置，采集分析系統(tǒng)開始采集處理數(shù)據(jù)，分析圖像。
2 數(shù)值模擬
2.1 瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠邢拊Ｐ?/p>
為了便于模擬分析，忽略CH4的化學(xué)反應(yīng)過程，認(rèn)為混合氣體在點火后甲烷迅速燃燒完畢。設(shè)置模型管道長200 m，橫截面積為為3 m×3 m，模擬時的初始壓力為1MPa，初始溫度為15℃。管道一端封閉，另一端開口。在三維坐標(biāo)軸方向分別劃分200道、3道、3道網(wǎng)格線，一共1800個網(wǎng)格。
2.2 模擬計算方法
可燃性氣體的爆炸與可燃?xì)怏w本身特性，爆炸前巷道內(nèi)氣體濃度、溫度以及壓強等都有一定關(guān)系，是氣體爆炸場內(nèi)的動力學(xué)流動與相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的共同作用的過程。因此，可以用流體力學(xué)基本方程組[3]建立瓦斯爆炸的數(shù)學(xué)模型，綜合基本方程，可得NAVIER-STOCKS方程：
可燃性氣體的燃燒反應(yīng)過程，分為層流燃燒過程和湍流燃燒過程，對于層流燃燒過程，其組分方程描述為：
層流燃燒過程，Rcomb與組份濃度呈正比關(guān)系。
對于燃燒反應(yīng)過程中的湍流燃燒過程，國外普遍運用k-ε模型[4]來進行模擬，k-ε模型中的湍流動能k和湍流動能的擴散速率ε滿足以下的守恒方程:
式中：Γ為湍流擴散因子；c1，c2為模型常數(shù)。
通過以上氣體燃燒方程，并結(jié)合能量方程、動量方程、牛頓型粘性流體的本構(gòu)方程、氣體狀態(tài)方程，可構(gòu)成一個分析巷道內(nèi)甲烷與空氣混合可燃?xì)怏w爆炸過程的方程組，計算爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖1 瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葘嶒炁c數(shù)值模擬圖
3 結(jié)果與分析
表1是瓦斯爆炸實驗的火焰?zhèn)鞑y試結(jié)果，表中清晰的顯示了瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰鋒面到達(dá)火焰速度傳感器的時間和速度。
表1 瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑y試表
圖1是CH4與空氣混合氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘嶒炁c數(shù)值模擬圖，從圖上可以清楚看出理論數(shù)值模擬的曲線與實際試驗的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€走勢相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诒锤浇^小，隨著距爆源距離的增加,速度逐漸增加，在距離封閉氣體混合區(qū)域約50 m處，速度達(dá)到最大值，約為300 km/s，隨后，速度呈衰減趨勢。
根據(jù)上述試驗結(jié)果，瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷了兩個過程[5-7]：第一個過程是火焰?zhèn)鞑ニ俣扔杀刺幖铀俚椒逯邓俣?；第二個過程是火焰?zhèn)鞑ニ俣燃铀俚椒逯邓俣群?，開始減速傳播。這種結(jié)果可以從瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C制得以解釋，在起始過程，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，但火焰前方的氣體因前驅(qū)沖擊波的作用被加熱和壓縮，從而使火焰鋒面產(chǎn)生嚴(yán)重的皺褶和拉伸，增大了可燃性氣體的火焰燃燒面積,使其燃燒加速，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。在速度加速到峰值后，燃燒產(chǎn)生的能量不足以用來補充沖擊火焰波向前傳播產(chǎn)生的能量耗散，同時氣體膨脹產(chǎn)生的阻力使燃燒衰減，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嘞陆怠?/p>
4 結(jié)論
利用實際管道試驗和數(shù)值模擬對煤巷內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進行了研究，通過數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對不同測點的數(shù)據(jù)進行記錄,分析了瓦斯爆炸火焰速度隨時間、巷道距離變化的規(guī)律，主要結(jié)論如下:
（1）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果走向基本一致，數(shù)值模擬能較好的預(yù)測瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程中速度的變化情況。
（2）火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著距離爆源距離的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。當(dāng)爆炸氣體為體積70m3，濃度9.0±0.5%的CH4與空氣混合物，最大火焰速度在距離爆源50m左右。
[1]仇銳來，張延松，司榮軍，等.管道內(nèi)瓦斯爆炸傳播的試驗研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（5）：80-85.
[2]宋小雷，陳先鋒，陳明，張銀.瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑サ膶嶒炁c數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（11）:5-8.
[3]傅維鑣.燃燒學(xué)［M］.上海:高等教育出版社，1989:200-203.
[4]張廷芳.計算流體力學(xué)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1992.
[5]張玉，周姚斌，葉軍君.瓦斯爆炸沖擊波傳播過程的數(shù)值模擬[J].機電技術(shù)，2007，5（3）:28-30.
[6]王東武，杜春志.巷道瓦斯爆炸傳播規(guī)律的試驗研究[J].采礦與安全工程學(xué)報.2009，26（4）:475-480.
[7]黎體發(fā)，張莉聰，徐景德.瓦斯爆炸火焰波與沖擊波伴生關(guān)系的實驗研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32（2）:4-6.
Experimental Study on Flame Propagation of Gas Explosion in Mines
WANG Yin-qun
(Jixian Shengping Coal Co.,Shanxi Coal Sales and Transportation Group,Linfen Shanxi 042100)
Structure change and propagation law of gas explosion flame in pipelines are studied by numerical simulation and actual experiment.The results show that:the simulation result agrees with the experiment;the flame propagation speed increases first and then decreases with the distance increase from explosion source.
gas explosion;flame propagation;finite element;numerical simulation
TD712.71
A
1672-5050（2012）09-0052-03
2012-05-10
王引群（1964—），男，山西臨汾人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作。
劉新光
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礦井瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ピ囼炑芯?/p>
王引群
（山西煤炭運銷集團 吉縣盛平煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）
通過數(shù)值模擬與實際試驗，研究了瓦斯爆炸火焰在管道內(nèi)傳播的結(jié)構(gòu)變化特性及其相應(yīng)的傳播規(guī)律。研究結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果走向基本一致，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著距離爆源距離的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。
瓦斯爆炸；火焰?zhèn)鞑?；有限元；?shù)值模擬
為了有效的防治瓦斯爆炸事故,降低其危害程度，研究瓦斯爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦允欠浅１匾摹１菊撐囊韵锏纼?nèi)的瓦斯氣體的爆炸火焰為研究對象，對其在巷道內(nèi)的傳播過程進行了數(shù)值模擬和試驗研究[1-2]。
1 試驗系統(tǒng)
1.1 試驗設(shè)備及設(shè)施
（1）試驗巷道：試驗管道采用尺寸為200 m×3 m×3 m長方形實驗管道，一端封閉，另一端開口；從巷道的封閉端處開始安裝火焰速度傳感器，1～11 m距離內(nèi)每隔2m安裝一個；11m～41m距離內(nèi)每隔5m安裝一個；41 m～81m距離內(nèi)每隔10m安裝一個，一共安裝16個火焰速度傳感器。（2）爆炸氣體:體積百分比濃度為9.0±0.5%的CH4與空氣混合物，體積70m3。（3）點火源:由內(nèi)置的電點火藥頭點火，安裝在距封閉端1m、高度1.25m處。（4）高速攝影機為型號REDLAKE MotionXtraN3，自動曝光系統(tǒng)，130萬像素，拍攝速度為1200幀/s。（5）同步動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)。
1.2 試驗方法
在常溫、常壓下，將濃度為9.0±0.5%的CH4與空氣混合物均勻混合后，緩緩的充入試驗巷道內(nèi)的密封端，使密閉段內(nèi)的CH4與空氣的混合氣體體積為70m3。相繼啟動同步動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)，開啟火焰速度傳感器并啟動點火裝置，采集分析系統(tǒng)開始采集處理數(shù)據(jù)，分析圖像。
2 數(shù)值模擬
2.1 瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠邢拊Ｐ?/p>
為了便于模擬分析，忽略CH4的化學(xué)反應(yīng)過程，認(rèn)為混合氣體在點火后甲烷迅速燃燒完畢。設(shè)置模型管道長200 m，橫截面積為為3 m×3 m，模擬時的初始壓力為1MPa，初始溫度為15℃。管道一端封閉，另一端開口。在三維坐標(biāo)軸方向分別劃分200道、3道、3道網(wǎng)格線，一共1800個網(wǎng)格。
2.2 模擬計算方法
可燃性氣體的爆炸與可燃?xì)怏w本身特性，爆炸前巷道內(nèi)氣體濃度、溫度以及壓強等都有一定關(guān)系，是氣體爆炸場內(nèi)的動力學(xué)流動與相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的共同作用的過程。因此，可以用流體力學(xué)基本方程組[3]建立瓦斯爆炸的數(shù)學(xué)模型，綜合基本方程，可得NAVIER-STOCKS方程：
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層流燃燒過程，Rcomb與組份濃度呈正比關(guān)系。
對于燃燒反應(yīng)過程中的湍流燃燒過程，國外普遍運用k-ε模型[4]來進行模擬，k-ε模型中的湍流動能k和湍流動能的擴散速率ε滿足以下的守恒方程:
式中：Γ為湍流擴散因子；c1，c2為模型常數(shù)。
通過以上氣體燃燒方程，并結(jié)合能量方程、動量方程、牛頓型粘性流體的本構(gòu)方程、氣體狀態(tài)方程，可構(gòu)成一個分析巷道內(nèi)甲烷與空氣混合可燃?xì)怏w爆炸過程的方程組，計算爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖1 瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葘嶒炁c數(shù)值模擬圖
3 結(jié)果與分析
表1是瓦斯爆炸實驗的火焰?zhèn)鞑y試結(jié)果，表中清晰的顯示了瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰鋒面到達(dá)火焰速度傳感器的時間和速度。
表1 瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑y試表
圖1是CH4與空氣混合氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘嶒炁c數(shù)值模擬圖，從圖上可以清楚看出理論數(shù)值模擬的曲線與實際試驗的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€走勢相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诒锤浇^小，隨著距爆源距離的增加,速度逐漸增加，在距離封閉氣體混合區(qū)域約50 m處，速度達(dá)到最大值，約為300 km/s，隨后，速度呈衰減趨勢。
根據(jù)上述試驗結(jié)果，瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷了兩個過程[5-7]：第一個過程是火焰?zhèn)鞑ニ俣扔杀刺幖铀俚椒逯邓俣?；第二個過程是火焰?zhèn)鞑ニ俣燃铀俚椒逯邓俣群?，開始減速傳播。這種結(jié)果可以從瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C制得以解釋，在起始過程，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，但火焰前方的氣體因前驅(qū)沖擊波的作用被加熱和壓縮，從而使火焰鋒面產(chǎn)生嚴(yán)重的皺褶和拉伸，增大了可燃性氣體的火焰燃燒面積,使其燃燒加速，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。在速度加速到峰值后，燃燒產(chǎn)生的能量不足以用來補充沖擊火焰波向前傳播產(chǎn)生的能量耗散，同時氣體膨脹產(chǎn)生的阻力使燃燒衰減，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嘞陆怠?/p>
4 結(jié)論
利用實際管道試驗和數(shù)值模擬對煤巷內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進行了研究，通過數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對不同測點的數(shù)據(jù)進行記錄,分析了瓦斯爆炸火焰速度隨時間、巷道距離變化的規(guī)律，主要結(jié)論如下:
（1）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果走向基本一致，數(shù)值模擬能較好的預(yù)測瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程中速度的變化情況。
（2）火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著距離爆源距離的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。當(dāng)爆炸氣體為體積70m3，濃度9.0±0.5%的CH4與空氣混合物，最大火焰速度在距離爆源50m左右。
[1]仇銳來，張延松，司榮軍，等.管道內(nèi)瓦斯爆炸傳播的試驗研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（5）：80-85.
[2]宋小雷，陳先鋒，陳明，張銀.瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑サ膶嶒炁c數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（11）:5-8.
[3]傅維鑣.燃燒學(xué)［M］.上海:高等教育出版社，1989:200-203.
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[6]王東武，杜春志.巷道瓦斯爆炸傳播規(guī)律的試驗研究[J].采礦與安全工程學(xué)報.2009，26（4）:475-480.
[7]黎體發(fā)，張莉聰，徐景德.瓦斯爆炸火焰波與沖擊波伴生關(guān)系的實驗研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32（2）:4-6.
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(Jixian Shengping Coal Co.,Shanxi Coal Sales and Transportation Group,Linfen Shanxi 042100)
Structure change and propagation law of gas explosion flame in pipelines are studied by numerical simulation and actual experiment.The results show that:the simulation result agrees with the experiment;the flame propagation speed increases first and then decreases with the distance increase from explosion source.
gas explosion;flame propagation;finite element;numerical simulation
TD712.71
A
1672-5050（2012）09-0052-03
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