林柏泉,孫豫敏,朱傳杰,江丙友,劉 謙,洪溢都

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

爆炸沖擊波揚(yáng)塵過程中的顆粒動(dòng)力學(xué)特征

林柏泉1,2,孫豫敏1,2,朱傳杰1,2,江丙友1,2,劉 謙1,2,洪溢都1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

為研究爆炸揚(yáng)塵過程中粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)特征,通過紋影儀以及高速攝像機(jī),對(duì)粉塵的運(yùn)動(dòng)軌跡及其水平、縱向速度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡大體呈拋物線型,其上升過程中受到重力、氣流曳引阻力等的作用,速度逐漸降低直至峰值高度,隨后在重力作用下沉于管道底部;水平速度vx和縱向速度vy的發(fā)展趨勢(shì)都可用指數(shù)函數(shù)描述;一定壓力下,顆粒的初始位置對(duì)其軌跡有影響;沖擊波前方的顆粒,受前方粉塵層的阻礙以及沖擊波壓力損失的影響,上揚(yáng)過程較緩慢,最大揚(yáng)塵高度減小,揚(yáng)塵距離增大;此外,揚(yáng)塵距離、vx和vy隨壓力的增大而增大,而最大揚(yáng)塵高度減小。

瓦斯;爆炸;粉塵顆粒;揚(yáng)塵

近年來,煤礦瓦斯爆炸以及火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生,造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。特別是誘發(fā)煤塵參與爆炸后,破壞強(qiáng)度大大增加,危害極大。實(shí)際上粉塵爆炸所需的點(diǎn)火能量與瓦斯相比要大很多,很難獨(dú)立引爆,往往是先發(fā)生瓦斯爆炸,爆炸沖擊波誘導(dǎo)的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)卷吸巷道內(nèi)的沉積煤塵,從而形成可燃粉塵云,在瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓作用下發(fā)生爆炸。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸揚(yáng)塵的特征及基本規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。

最早關(guān)于揚(yáng)塵的研究是在19世紀(jì)60年代,Gerrard[1]利用長(zhǎng)4 m、截面15.2 mm×3.8 mm的激波管研究固體顆粒在沖擊波作用下的揚(yáng)起過程。Fletcher和Kauffman等[2-5]也進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了一些沖擊波的揚(yáng)塵過程。此外,Suzuki Tateuki等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)粉塵的揚(yáng)塵高度與顆粒大小存在密切關(guān)系。而Boiko等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)揚(yáng)塵的起因是顆粒間相互碰撞。岑可法等[8]專門針對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行了受力分析。也有一些學(xué)者在兩相流以及揚(yáng)塵過程方面進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。Fedorov等[9-10]利用數(shù)值模擬對(duì)沖擊波的揚(yáng)塵過程進(jìn)行了研究,對(duì)近壁面流的速度特征形成了一定認(rèn)識(shí)。劉丹等[11]應(yīng)用連續(xù)相、顆粒相計(jì)算方法對(duì)瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵參與爆炸的傳播過程進(jìn)行數(shù)值模擬。宮廣東等[12]在管道中進(jìn)行煤塵瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)。朱傳杰等[13]研究了沉積粉塵密度、波前流速、粉塵粒徑等對(duì)揚(yáng)塵特征的影響。龍?zhí)煊錥14]在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上針對(duì)激波后粉塵起揚(yáng)的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,為進(jìn)一步研究粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了依據(jù)。

然而,以往的研究都是基于揚(yáng)塵機(jī)理方面的實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬,而針對(duì)煤塵運(yùn)動(dòng)軌跡以及運(yùn)動(dòng)速度的研究較少。本文在前人研究的理論基礎(chǔ)上,運(yùn)用紋影儀以及高速攝像機(jī)對(duì)粉塵的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行研究,以期對(duì)揚(yáng)塵過程的理論研究提供參考。

1 單顆粒受力分析

單個(gè)煤塵顆粒的受力情況是影響揚(yáng)塵軌跡以及揚(yáng)塵效果的重要因素。單顆粒受到的作用力主要有重力、Saffman力、Magnus力、虛假質(zhì)量力、黏附力、Basset力和升浮力等。其中,黏附力、升浮力、Basset力和虛假質(zhì)量力與其他力相比較小,對(duì)粉塵軌跡的影響可忽略不計(jì)。除此之外,各煤塵顆粒之間相互碰撞也會(huì)使煤塵顆粒額外受力,空氣阻力也會(huì)影響煤塵的運(yùn)動(dòng)。單顆粒的受力分析如圖1所示。

圖1 單顆粒受力分析Fig.1 Force analysis of a single dust particle

(1)重力。重力G始終作用在顆粒上,其主要作用是阻礙顆粒揚(yáng)起。

式中,mp為顆粒質(zhì)量;g為重力加速度;ρp為顆粒密度;Vp為顆粒體積。

(2)Saffman力。固體顆粒在有速度梯度的流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),兩側(cè)流速不同會(huì)導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生一個(gè)作用力,該力由低速區(qū)指向高速區(qū),即為Saffman力,其作用是將顆粒托起。由文獻(xiàn)[13]可知Saffman力可表示為

式中,B為實(shí)驗(yàn)常數(shù),此處取1;ρ1為氣相密度;η為氣相動(dòng)力黏度;Rd為顆粒半徑;v1為氣相速度;v2為固相速度;?為哈密頓算子。

(3)Magnus力。Magnus力是一個(gè)與流動(dòng)方向垂直的、由逆流側(cè)指向順流側(cè)方向的力,它是固體顆粒在氣相中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的。該力可以托起流場(chǎng)中的顆粒。由文獻(xiàn)[13]可知Magnus力可表示為

式中,A為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

(4)相互碰撞。粒子之間存在著相互碰撞,這種運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)顆粒產(chǎn)生一個(gè)附加加速度,是粉塵額外受力。本文采用文獻(xiàn)[11]中所述的公式來計(jì)算粒子之間相互碰撞所產(chǎn)生的附加力Fcol。

式中,C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);d為顆粒直徑;u2和v2分別為固相在x,y方向速度分量;ρ2為固相密度。

(5)空氣阻力。也稱氣流曳引阻力,是指氣固兩相運(yùn)動(dòng)中,氣體對(duì)固體顆粒的阻力。采用文獻(xiàn)[8]中所述公式來計(jì)算。

式中,Ap為顆粒在垂直于氣流流動(dòng)方向上的投影;Cd為黏性阻力系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法及儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

由于實(shí)際爆炸過程中,火焰的存在使得視場(chǎng)較亮,很難捕捉單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,因此,以往類似的實(shí)驗(yàn)都是采用高壓氣體來模擬爆炸沖擊波。本實(shí)驗(yàn)利用電磁閥來控制高壓干空氣,實(shí)現(xiàn)沖擊效應(yīng),實(shí)測(cè)的模擬沖擊波曲線如圖2所示(以1.0 MPa為例)。

圖2 利用瞬態(tài)高壓氣體模擬獲得的沖擊波(1.0 MPa)Fig.2 Shock wave obtained from high-pressure gas(1.0 MPa)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖3所示。通過高壓氣體模擬爆炸沖擊波將位于可視化窗口內(nèi)的煤塵揚(yáng)起,并通過紋影儀以及高速攝像機(jī)拍攝煤塵揚(yáng)起的整個(gè)過程,并對(duì)煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤,分析并研究其運(yùn)動(dòng)特征。本文選取3種沖擊波壓力來模擬不同爆炸強(qiáng)度,分別為0.2,0.6和1.0 MPa。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of experiment apparatus

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

由文獻(xiàn)[13]可知,煤塵粒徑較大時(shí)受重力的影響較大,揚(yáng)塵效果不明顯。煤塵粒徑較小時(shí),其在巷道空間能夠較好的分散,揚(yáng)塵效果較好。因此,為取得較好的揚(yáng)塵效果,本文采用的中位徑為57.01 μm的煤塵作為研究對(duì)象。利用BT-9300HT型激光粒度分布儀對(duì)所選煤塵進(jìn)行粒徑分析,其粒徑分布及分散度如圖4所示。煤塵的體積平均粒徑為72.54 μm,面積平均粒徑為14.12 μm,密度為1.4 g/cm3,遮光率為14.41%,比表面積為0.15 m2/g。從x= 12.0 cm(x為顆粒的水平坐標(biāo))開始鋪設(shè)煤塵層,厚度為1 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 沖擊波揚(yáng)塵過程

在壓力1.0 MPa下,利用高速攝像機(jī)及紋影儀拍下的揚(yáng)塵過程(圖5)。初始階段,沉積煤塵前端在氣流擾動(dòng),在Saffman力及Magnus力的作用下向空中拋灑,在重力的作用下逐漸減緩隨后開始下降,沉積于后方煤塵層上形成“煤塵團(tuán)簇”。該“煤塵團(tuán)簇”較為疏松,其堆積密度較小,顆粒上、下兩側(cè)形成較大壓差,Saffman力起主導(dǎo)作用,顆粒進(jìn)一步向空中卷?yè)P(yáng)。在此過程中,沉積煤塵前段的煤塵不斷被拋向右上方,與前方煤塵混合進(jìn)一步卷?yè)P(yáng)。最后,煤塵全部被拋到空中。氣流擾動(dòng)逐漸減弱,重力起主導(dǎo)作用,煤塵顆粒逐漸沉積于管道底部。

圖4 煤塵粒徑分布曲線Fig.4 Particle size distribution curves

圖5 揚(yáng)塵過程示意Fig.5 Schematic diagram of dusting lifting process

3.2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及速度特征

3.2.1 單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6為單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡(1.0 MPa,x= 15.3 cm)。可知,顆粒先緩慢上升后明顯下降,其運(yùn)動(dòng)軌跡大體呈拋物線型。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,最大揚(yáng)塵高度為6.5 cm,揚(yáng)塵距離為7.8 cm。在揚(yáng)塵的初始階段,沉積煤塵顆粒在氣流作用下開始卷?yè)P(yáng)。由于其處于有速度梯度的流場(chǎng)之中,顆粒兩側(cè)的流速不同會(huì)產(chǎn)生Saffman力,另外,顆粒在流場(chǎng)之中旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生Magnus力,在這兩個(gè)力作用下,顆粒開始上升。在上升的過程中,由于氣流擾動(dòng)逐漸減弱以及重力、氣流曳引阻力的作用,其速度逐漸降低,導(dǎo)致Saffman力和Magnus力越來越小。到達(dá)峰值高度時(shí),二者的作用與重力持平。隨后在重力的作用下,顆粒開始沉降,最后煤塵顆粒沉積于管道底部。

圖6 單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Pathway of a single particle

3.2.2 單顆粒運(yùn)動(dòng)速度分析

圖7為圖6中煤塵顆粒的速度變化曲線,vx,vy分別為顆粒的水平速度、縱向速度?？芍?vx在揚(yáng)塵初始時(shí)刻較大,隨后一直減小,最后接近0,變化趨勢(shì)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。vy的發(fā)展趨勢(shì)與vx類似,也可用指數(shù)函數(shù)描述。初始時(shí)刻其方向向上,速度較大,隨著沖擊波作用力的減小,重力發(fā)揮的作用逐漸顯現(xiàn),使得粒子運(yùn)動(dòng)呈沉降趨勢(shì),并沿重力方向加速。在76 ms時(shí),粒子拋升高度達(dá)到最大,vy=0。隨后其方向變?yōu)橄蛳?速度值也逐漸增加直至顆粒沉積于管道底部。

圖7 單顆粒運(yùn)動(dòng)速度Fig.7 Velocity of a single particle

3.3 不同位置處煤塵顆粒運(yùn)動(dòng)特征

實(shí)際沖擊波揚(yáng)塵過程中,由于沖擊波壓力在管道截面上分布的不均衡性、沉積煤塵顆粒間的碰撞擠壓作用以及顆粒間物性參數(shù)的細(xì)微差異,都使得煤塵顆粒在被拋灑到空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度存在差異,這也是煤塵可以被相對(duì)均勻地拋灑到管道內(nèi)的前提。圖8為在1.0 MPa的壓力下,初始位置x分別為12.7,13.3,13.6,13.9 cm的煤塵顆粒(顆粒1～4)的運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢?4個(gè)顆粒的最大揚(yáng)塵高度分別為9.9,9.4,6.5和4.4 cm,顆粒運(yùn)移距離分別為5.35, 6.32,7.76和9.05 cm。其運(yùn)動(dòng)軌跡趨勢(shì)雖然都呈拋物線型,但存在較大差別:處于沖擊波前方的粉塵顆粒,由于前方煤塵層的阻礙作用,沖擊波壓力存在損失,進(jìn)而Saffman力變小,其上揚(yáng)的過程較緩慢,最大揚(yáng)塵高度也隨之減小,但揚(yáng)塵距離增大。

圖8 不同位置煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Pathway of particles at different positions

圖9為圖8中4個(gè)煤塵顆粒的速度變化情況。根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)速度v與時(shí)間t的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合,即指數(shù)函數(shù)關(guān)系v=b+ce-at,式中b,c為擬合系數(shù);a為速度衰減系數(shù),其大小反映了煤塵顆粒速度衰減趨勢(shì)的強(qiáng)弱。由圖9可知,4個(gè)煤塵顆粒vy衰減系數(shù)a的值分別為52.521,31.948,16.456和15.962,其隨著粉塵初始位置的后移而減小。通過分析發(fā)現(xiàn)vx也有類似的趨勢(shì)。

此外,在整個(gè)揚(yáng)塵的過程中,vx和vy都比較小,最高為6.7 m/s(x=12.7 cm處)。在揚(yáng)塵初期(60 ms前),vx和vy較大,且其下降趨勢(shì)較陡。由于沖擊波是產(chǎn)生煤塵顆粒水平速度的主要因素,隨著沖擊波的衰減以及揚(yáng)塵過程的發(fā)展(60～230 ms),二者的變化趨勢(shì)變緩,并趨于0。與此同時(shí),vy由于受重力的影響,在揚(yáng)塵初期呈逐漸降低的趨勢(shì),降至0后又逐漸增大,并最終加速沉降到管道底部。

3.4 不同壓力對(duì)煤塵軌跡的影響分析

圖10為0.2,0.6和1.0 MPa壓力下,初始位置x=12.0 cm處煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡?？芍?隨著沖擊波壓力的增大,揚(yáng)塵距離變大,最大揚(yáng)塵高度變小。這是由于沖擊波沿管道水平方向傳播,壓力越高,波前氣流在水平方向速度越大[15],因此,壓力的增大會(huì)使粒子水平運(yùn)移距離增大,同時(shí)會(huì)抑制顆粒在垂直方向上的拋升。

由前述可知,揚(yáng)塵高度隨著煤塵初始位置的后移而減小。由圖10可知,1.0 MPa下x=12.0 cm處的煤塵最大揚(yáng)起高度僅為6 cm,該高度即為煤塵層揚(yáng)起的最大高度,其不足以使巷道底部的煤塵完全分散到空氣中。如果實(shí)際巷道內(nèi)部設(shè)備上存在積塵,則完全可能被拋灑到空氣中,因此,其危害性相比巷道底部的沉積粉塵危害性更大。

圖11為不同壓力下粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)速度變化情況以及vx和vy最大值隨著沖擊波壓力的變化情況。變化趨勢(shì)與前類似。對(duì)于vx,在0.2,0.6和1.0 MPa壓力下,速度衰減系數(shù)a的值分別為31.153,38.911和56.818,呈逐漸增大趨勢(shì)。3個(gè)壓力下vy表達(dá)式中的系數(shù)a分別為42.735,47.619和55.556。此外,由圖11(d)可知,0.2,0.6和1.0 MPa壓力下水平最大速度分別為1.29,2.03,2.33 m/s,縱向最大速度分別為3.32,3.47,3.64 m/s。速度隨著沖擊波壓力的增大而增大,該結(jié)果與文獻(xiàn)[16]獲得的速度變化趨勢(shì)是一致的。

圖9 粉塵顆粒速度Fig.9 Particle velocity

圖10 不同壓力下粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Pathways of particles under different pressures

圖11 不同壓力下煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)速度Fig.11 Velocity of particles under different pressures

4 結(jié) 論

(1)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡大體呈拋物線型,vx和vy的發(fā)展趨勢(shì)都可用指數(shù)函數(shù)描述。其上升過程中受到重力、氣流曳引阻力等的作用,速度逐漸降低,直至峰值高度。隨后,顆粒在重力的作用下沉降,最終沉積于管道底部。

(2)同一壓力下,處于沖擊波前方的顆粒,由于前方煤塵層的阻礙作用以及沖擊波壓力損失,上揚(yáng)過程較緩慢,最大揚(yáng)塵高度也隨之減小,但揚(yáng)塵距離增大。vx和vy都符合指數(shù)函數(shù)v=b+ce-at,且速度曲線隨著a值的增大變陡。

(3)不同壓力下,揚(yáng)塵軌跡及速度變化曲線與前類似。隨著沖擊波壓力增大,揚(yáng)塵距離變大,最大揚(yáng)塵高度變小。vx和vy隨著沖擊波壓力的增大而增大。

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Dynamic parameters of dust lifting process behind shock waves

LIN Bai-quan1,2,SUN Yu-min1,2,ZHU Chuan-jie1,2,JIANG Bing-you1,2,LIU Qian1,2,HONG Yi-du1,2

(1.School of Safety Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to find out the movement characteristics of dust particles,a schlieren system and a high-speed camera were used to study the pathway of dust particles and its horizontal and vertical velocity.The results show that the pathway of dust particles has a parabola shape,which rises under the function of gravity and air-drag.The particle velocity decreases before it reaches its peak height during this process.Then the particle settled down at the bottom of pipes under gravity.The development trend of the horizontal velocity vx,and the vertical velocity vy,can be described as exponential function.The initial positions of particles have a certain influence on its pathway under different pressures.The rising process of particles is slower before shock wave in the front of dust layers due to the block of dust layers and pressure loss of shock waves.The height of dust lifting decreases with the increase of distance.In addition,the dust lifting distance,vxand vyincreased with the pressure,while the dust lifting heights decrease.

gas;explosion;dust particle;dust lifting

TD712;TD714

A

0253-9993(2014)12-2453-06

2013-12-30 責(zé)任編輯:張曉寧

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51204174);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2012QNB01)

林柏泉(1960—),男,福建龍巖人,教授,博士。Tel:0516-83590593,E-mail:lbq21405@126.com

林柏泉,孫豫敏,朱傳杰,等.爆炸沖擊波揚(yáng)塵過程中的顆粒動(dòng)力學(xué)特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2453-2458.

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