余明高，劉 磊，鄭 凱，蘇 洋，滕 飛，劉 洋

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點試驗室，重慶 400044)

0 引言

瓦斯爆炸是煤礦災(zāi)害最嚴(yán)重的事故之一，一旦發(fā)生往往會造成大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了減少瓦斯爆炸事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，瓦斯燃燒機(jī)理和傳播特性一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。張英浩、鄧軍、羅振敏等[2-5]在小型管道對瓦斯爆炸過程中的特征參數(shù)進(jìn)行了實驗研究，得出爆炸壓力變化的過程可以劃分成4個階段，而爆炸火焰?zhèn)鞑ナ且煌蛔冞^程的結(jié)論；Fairweather和Chen等[6-8]對甲烷-空氣爆炸的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ帘ê笃诓判纬蓚鞑ニ俣容^快的湍流狀態(tài)；層流-湍流轉(zhuǎn)變是火焰結(jié)構(gòu)變化的根本原因。然而在煤礦井下和工業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免的存在一些類似障礙物的生產(chǎn)設(shè)備，這些設(shè)備對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂兄匾挠绊懀虼搜芯空系K物對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懹兄鴺O其重要的研究意義。Masri，Ciccareli，王成、藺照東等[9-13]對可燃預(yù)混氣體的濃度和障礙物的形狀、阻塞率、位置、表面情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)可燃預(yù)混氣體的濃度和障礙物的形狀、阻塞率、位置和表面情況都會影響火焰的傳播特性；Phylaktou、Vishwakarma和Wen等[14-16]針對擋板、障礙物的放置方式等對甲烷-空氣混合物爆炸特性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火焰越過障礙物時被拉伸和褶皺，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，爆炸超壓升高；隨著障礙物數(shù)量的增加，爆炸火焰速度和超壓峰值明顯增大，交錯障礙物對甲烷爆炸火焰前鋒位置，火焰速度和爆炸超壓等有顯著的影響；丁以斌等[17]對甲烷/空氣混合氣體在立體結(jié)構(gòu)的障礙物作用下的爆炸傳播特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與火焰作用面積越多且能夠使爆炸傳播火焰分叉的立體障礙物對可燃?xì)怏w爆炸特性的影響較大；Zheng等[18]研究不同中空形狀的方形孔板障礙物對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，發(fā)現(xiàn)與方形孔板、圓形中孔板相比，三角形中空板障礙物能夠產(chǎn)生較大的爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣?；郭丹彤等[19]運用3D動態(tài)流體動力學(xué)軟件AutoReaGas建立障礙物截面不同變化方式和趨勢的爆炸模型，發(fā)現(xiàn)障礙物截面的2種漸變方式對可燃?xì)怏w的爆炸參數(shù)有很大影響。

從以上的研究可以看出，許多學(xué)者對障礙物的阻塞率、間距和數(shù)量，以及障礙物的形狀進(jìn)行了大量的研究。礦井井下設(shè)備與巷道壁面的間距對預(yù)混氣體爆炸有何影響，在該方面的研究相對較少。本文以體積分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷-空氣混合氣體為研究對象，運用自建的瓦斯爆炸實驗平臺，研究障礙物與管道壁面間距比的改變對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀治霰▔毫突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律，為工業(yè)和井下設(shè)備的安裝提供實驗依據(jù)。

1 實驗步驟

實驗系統(tǒng)是由爆炸實驗管道，點火系統(tǒng)，配氣系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)，光電和壓力信息采集系統(tǒng)等，如圖1所示。實驗管道為方形有機(jī)玻璃管道，長1 000 mm，截面寬為100 mm，右側(cè)封閉，另一端采用PVC膜進(jìn)行密封。利用德國Lavision4G高速攝像機(jī)進(jìn)行圖片采集，圖像采集頻率為2 kHz，主要記錄瓦斯爆炸火焰鋒面在管道傳播過程，用于計算火焰的速度。利用Keller PR-23型高頻壓力傳感器采集爆燃超壓，壓力傳感器的采集范圍為-0.1～0.2 MPa，時間響應(yīng)為0.02 ms，最大采集頻率為50 kHz，安裝在實驗管道最大壓力位置的右側(cè)封閉端[20]。RL-1紅外光電傳感器，用于記錄點火的開始時刻，壓力和光電傳感器通過USB-1208FS型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，采樣頻率為15 kHz。點火系統(tǒng)使用自制的高頻脈沖點火器，點火電壓為6 V，點火能量為0.2 J，放置在管道右側(cè)封閉端。實驗采用排氣法進(jìn)行預(yù)混氣體的充氣，利用2個質(zhì)量流量計控制氣體，配置成9.5%的預(yù)混氣體，甲烷氣體流量為0.76 L/min，空氣氣體流量7.24 L/min，充氣6 min。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 The experimental system diagram

實驗管道內(nèi)設(shè)置2處障礙物安裝位置，分別距離管道右端200，400 mm處。障礙物種類是由3種不同阻塞率的長方平板構(gòu)成，其寬度分別為30，50，70 mm，有著相同的長度和厚度，且長度和厚度分別為100，10 mm。實驗采用的管道為軸對稱結(jié)構(gòu)，障礙物物與管道壁面存在2個間距值，以這2個間距值較小的值作為研究值，即實驗的間距比(φ)表示：

式中：Vmin為障礙物與管道壁面間距較小的值；Vmax為障礙物與管道壁面間距較大的值。

3種不同阻塞率的長方形平板障礙物在管道截面安放的位置如圖2所示。

圖2 長方形平板障礙物在管道截面的安放情況Fig.2 Rectangular obstacles placed in the pipe cross section

障礙物下壁與管道下壁的距離為0時，記為工況一；障礙物下壁與管道下壁間距為a時，記為工況二；當(dāng)障礙物下壁與管道下壁間距為b時，記為工況三，其中不同阻塞率的長方平板障礙物所對應(yīng)a，b的數(shù)值大小如表1所示。不同阻塞率的障礙物可以構(gòu)成具有相同間距比的工況一、工況二、工況三，對應(yīng)的間距比分別為0，0.25，0.5。

表1 3種不同阻塞率長方形平板移動距離a，b數(shù)值Table 1 Three different blocking rate of rectangularplate moving a, b values

2 結(jié)果與討論

2.1 管道與障礙物壁面間距變化對爆燃超壓的影響

如圖3所示相同阻塞率不同工況下的爆燃超壓曲線圖。對不同工況的壓力曲線，在爆炸前期壓力變化相似，上升的比較緩慢，且經(jīng)歷1個壓力峰值P0，該峰值主要是由于管道末端密封膜破裂泄壓所產(chǎn)生，P0為PVC膜破裂的壓力值。壓力經(jīng)歷短暫的緩慢加速之后，開始急速增加，同時不同工況的壓力曲線變化出現(xiàn)差異，主要是障礙物與火焰的相互作用，使得壓力曲線出現(xiàn)差異。達(dá)到峰值之后的壓力曲線急劇下降，之后震蕩變化。從壓力曲線圖上可以看出：隨著間距比的增加，爆燃峰值壓力在增加，同時達(dá)到最大爆燃壓力極值的時間總體也在提前。如圖4所示，預(yù)混氣體達(dá)到最大爆炸壓力時刻的火焰鋒面燃燒圖像。在阻塞率相同時，障礙物從工況一(φ=0)到工況三(φ=0.5)變化中，障礙物對火焰鋒面結(jié)構(gòu)的作用也發(fā)生改變。隨著障礙物距離管道壁面間距比的增加，障礙物對火焰鋒面拉伸作用越大，使得火焰鋒面的燃燒面積增加?；鹧嫒紵娣e決定了燃燒速率，火焰燃燒面積最大時所對應(yīng)的時刻，就是達(dá)到最大的爆炸壓力時刻。同時，圖4顯示爆燃超壓達(dá)到峰值時刻火焰鋒面所在的管道軸向位置，對于阻塞率為70%的障礙物，火焰燃燒鋒面在第1個和第2個障礙物之間，對于阻塞率為30%和50%障礙物，火焰鋒面繞過了第2個障礙物。出現(xiàn)峰值壓力時刻火焰位置都是在與障礙物相互作用之后產(chǎn)生，因而會出現(xiàn)峰值壓力時刻的差異。而阻塞率70%的障礙物達(dá)到峰值壓力時刻差異較小，主要原因是火焰鋒面產(chǎn)生最大時刻在2個障礙物之間。相比于2障礙物對火焰的作用，1個障礙物對火焰的作用較小。同時阻塞率過大也是壓力差異較小的另外原因。

圖3 不同阻塞率不同工況的壓力曲線Fig.3 Pressure curves of different cases under different blocking rates

圖4 壓力峰值時刻火焰燃燒結(jié)構(gòu)Fig.4 Pressure peak time flame burning structure

實驗結(jié)果顯示，阻塞率為70%障礙物在工況三時產(chǎn)生最大168.2 kpa的爆炸壓力。主要是由于阻塞率較大，燃燒超壓釋放受到限制，造成壓力較大。對比分析不同阻塞率的障礙物在3種間距比下的峰值壓力可知：相比于各自φ=0時的爆燃峰值壓力，阻塞率30%的障礙物在φ=0.25處的峰值壓力增加21.9%，在φ=0.5處的峰值壓力增加61.2%；阻塞率50%的障礙物在φ=0.25處的峰值壓力增加55.6%，在φ=0.5處的峰值壓力增加101.8%；阻塞率70%的障礙物在φ=0.25處的壓力峰值增加53.8%，在φ=0.5處的峰值壓力增加93.3%。從對比結(jié)果可以看出，阻塞率為50%障礙物的峰值壓力增量比受間距比改變影響最大。阻塞率為50%時，障礙物會對可燃預(yù)混氣體產(chǎn)生最大的爆炸壓力影響[21]。結(jié)合火焰?zhèn)鞑D像，分析間距比的改變對爆燃超壓的影響，如圖5所示 50%的障礙物3種工況火焰?zhèn)鞑D。隨著障礙物與管道壁面間距比的增加，燃燒火焰鋒面通過障礙物的方式發(fā)生改變。從圖5可以看出，火焰在3種工況下繞過障礙物的傳播情況，工況一(φ=0)，火焰只從管道上側(cè)通過，同時在管道下壁側(cè)有較大的未燃區(qū)域；工況二(φ=0.25)，火焰主要是從管道上側(cè)通過，下側(cè)經(jīng)過的火焰相對較少，且火焰通過障礙物上下兩側(cè)的時間有所差異；工況三(φ=0.5)，火焰經(jīng)過障礙物上下兩側(cè)，且通過時間大致相似?；鹧嬖?種工況下表現(xiàn)出不同的傳播結(jié)構(gòu)，是由于障礙物與管道壁面間距不同，造成障礙物與火焰相互作用的結(jié)果有所差異。障礙物與管道壁面間距的變化，改變火焰鋒面經(jīng)過障礙物時的拉伸情況，同時也會造成未燃?xì)怏w在湍流程度的差異，火焰鋒面拉伸越大、未燃?xì)怏w湍流程度越強(qiáng)，火焰的燃燒效率也就越大。從圖3可以看出，3種阻塞率的障礙物，在工況三的情況下能夠產(chǎn)生最大爆燃超壓，因此當(dāng)障礙物將經(jīng)過的火焰均勻分散時，障礙物對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懽畲蟆?/p>

圖5 阻塞率50%障礙物在不同間距比下的火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)Fig.5 Flame propagation structure of obstruction ratio 50% under different spacing ratios

圖6 障礙物作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€Fig.6 Flame propagation velocity curve under obstacle

2.2 管道與障礙物壁面間距的改變對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

如圖6和圖7所示，可以將火焰?zhèn)鞑ミ^程分為2個階段：第一階段是平穩(wěn)傳播階段，在實驗管道上對應(yīng)位置為從點火源到第1個障礙物處；第二階段是震蕩上升傳播階段，在實驗管道上對應(yīng)位置為從第1個障礙物到管道出口處。在火焰?zhèn)鞑サ牡谝浑A段，火焰?zhèn)鞑ニ俣绕椒€(wěn)增加，且加速度較小，可以認(rèn)為該階段為層流燃燒階段。在火焰?zhèn)鞑サ牡诙A段，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)歷3次加速過程，2次減速過程，且3次加速的加速度在逐漸增加?；鹧嫠俣鹊那?次加速，主要是火焰鋒面受到傳播截面的變小，導(dǎo)致火焰鋒面在爆燃壓力驅(qū)使下擠壓通過變小的截面，造成速度的增大。火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)過2次降低，主要是傳播空間的變大，擠壓作用變小，同時火焰鋒面受到湍流卷吸的作用，鋒面火焰速度降低。第3個加速度的出現(xiàn)，主要是在經(jīng)過2個障礙物之后，在較強(qiáng)的湍流作用下，火焰的燃燒相對比較充分，同時泄爆管口的約束較小，速度開始第3次增加。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，阻塞率為50%的障礙物在不同間距比作用下，火焰第3次加速位置有所不同，主要是火焰在經(jīng)過2次的障礙物作用之后，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)差異，所以加速的位置有所不同。圖7顯示，間距比的改變，在第2個障礙物之前對火焰速度的影響不大，火焰經(jīng)過第2個障礙物之后，火焰?zhèn)鞑サ较嗤恢脮r速度出現(xiàn)一定的差距。主要是因為在經(jīng)過2個障礙物之后，火焰的燃燒曲面，以及未燃?xì)怏w湍流程度都有增大。在通過第2個障礙物以后，燃燒火焰與未燃?xì)怏w有很好地相互作用空間，同時管道出口處泄壓膜的破裂，火焰在管道軸向傳播限制較少，火焰發(fā)展較快，使得障礙物在管道截面位置的改變對速度的影響有所體現(xiàn)。

圖7 阻塞率50%的障礙物作用下火焰?zhèn)鞑デ€Fig.7 The flame propagation curve under the blockage ratio of 50%

從圖7中可以看出，不同阻塞率障礙物間距比從φ=0到φ=0.5的改變過程中，火焰鋒面?zhèn)鞑テ骄俣瓤傮w是在增加。如圖8所示，對于阻塞率為30%和50%的長方形平板障礙物，2種隨著間距比的增大到達(dá)出口的時間逐漸提前，阻塞率70%的障礙物在不同間距比下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗤?，但出口處的速度有所差異?/p>

圖8 不同工況達(dá)到出口時刻Fig.8 Different cases to reach the export time

火焰?zhèn)鞑ニ俣?vf)計算公式[22]：vf=vu+Sl

式中：vu為未燃?xì)怏w在火焰面的垂直方向上的運動速度；Sl預(yù)混氣體的燃燒速度。

由公式可以看出火焰?zhèn)鞑ニ俣仁怯?個參數(shù)決定。當(dāng)障礙物與火焰相互作用時，會增加未燃?xì)怏w的燃燒速度，因而會引起爆炸壓力增大。實驗過程采用的是泄爆管道，當(dāng)泄爆膜破裂時，爆炸壓力在管道軸向的傳播受到的限制較小，壓力波會驅(qū)使未燃?xì)怏w的傳播。因此爆炸壓力的大小決定著未燃?xì)怏w傳播速度，爆燃壓力越大，對未燃?xì)怏w的作用越強(qiáng)，未燃?xì)怏w傳播速度越大。障礙物與火焰的相互作用，同時改變了未燃?xì)怏w的傳播速度和燃燒速度，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣葧黾?。?dāng)障礙物與管道壁面的間距發(fā)生變化時，障礙物對火焰的拉伸和卷吸也發(fā)生改變，燃燒效率發(fā)生改變，形成壁面間距的改變對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟町悺?/p>

3 結(jié)論

1)隨著間距比的增大，障礙物對預(yù)混氣體爆炸特性的影響也就越大。其中當(dāng)障礙物在管道中心位置使傳播火焰均勻分散時，對瓦斯爆燃特性的影響最大。

2)間距比的改變對爆炸壓力增量比的變化是隨著障礙物阻塞率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。障礙物與管道壁面間距比改變，對阻塞率50%的障礙物爆炸壓力增量比的影響最大，相比于間距比為0時的爆燃超壓，間距比為0.25和0.5的爆燃超壓分別增加了55.6%，101.8%。

3)當(dāng)障礙物阻塞率不超過50%時，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S間距比的增加而增大；當(dāng)障礙物阻塞率超過50%時，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣然静蛔儭?/p>

[1] 林柏泉, 葉青. 煤礦瓦斯爆炸研究現(xiàn)狀及綜合分析[C]//2007中國(淮南)煤礦瓦斯治理技術(shù)國際會議論文集.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 張英浩, 王志杰. 管道內(nèi)瓦斯爆炸壓力的傳播研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2009, 35(1): 43-44.

ZHANG Haoying，WANG Zhijie. Study on the spread of gas explosion pressure in pipeline[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2009, 35(1):43-44.

[3] 鄧軍, 李會榮, 楊迎, 等. 瓦斯爆炸微觀動力學(xué)及熱力學(xué)分析[J]. 煤炭學(xué)報, 2006, 31(4): 488-491.

DENG Jun, LI Huirong, YANG Ying, et al. Microcosmic dynamics and thermodynamics analysis of fire damp explosion[J]. Journal of China Coal Society, 2006,31(4):488-491.

[4] 羅振敏, 鄧軍, 郭曉波. 基于Gaussian的瓦斯爆炸微觀反應(yīng)機(jī)理研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008, 27(3):325-328.

LUO Zhenmin, DENG Jun, GUO Xiaobo. Microcosmic mechanism of gas explosion based on Gaussian[J]. Journal of Liaoning Technical University( Natural Science), 2008,27(3):325-328.

[5] 羅振敏, 鄧軍, 文虎, 等. 小型管道中瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶嶒炑芯縖J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2007, 17(5): 106-109.

LUO Zhenmin, DENG Jun, WEN Hu, et al. Experimental study on flame propagation characteristics of gas explosion in small-scale duct[J]. China Safety Science Journal, 2007,17(5):106-109.

[6] Fairweather M, Ibrahim S S, Jaggers H, et al. Turbulent premixed flame propagation in a cylindrical vessel[J]. Symposium on Combustion, 1996, 26(1): 365-371.

[7] Fairweather M, Hargrave G K, Ibrahim S S, et al. Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J]. Combustion & Flame, 1999, 116(4): 504-518.

[8] Chen X, Zhang Y, Zhang Y. Effect of CH4-Air ratios on gas explosion flame microstructure and propagation behaviors[J]. Energies, 2012, 5(12):4132-4146.

[9] Masri A R, Ibrahim S S, Nehzat N, et al. Experimental study of premixed flame propagation over various solid obstructions[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2000, 21(1-3):109-116.

[10] Ciccarelli G, Fowler C J, Bardon M. Effect of obstacle size and spacing on the initial stage of flame acceleration in a rough tube[J]. Shock Waves, 2005, 14(3):161-166.

[11] Wang C, Huang F, Addai E K, et al. Effect of concentration and obstacles on flame velocity and overpressure of methane-air mixture[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 43:302-310.

[12] 王成, 回巖, 胡斌斌,等. 障礙物形狀對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2015(7):661-665.

WANG Cheng, HUI Yan, HU Binbin, et al. Effect of obatacle shape on gas explosion flame propagation process[J]. Transaction of Beijing Institute of Technology, 2015(7):661-665.

[13] 藺照東, 李如江, 劉恩良,等. 障礙物對瓦斯爆炸沖擊波影響研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2014(2):28-32.

LIN Zhaodong, LI Rujiang, LIU Enliang, et al. Study on effect of obstacles to shock wave of gas explosion[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014(2):28-32

[14] Phylaktou H, Andrews G E. The acceleration of flame propagation in a tube by an obstacle[J]. Combustion and Flame; (United States), 1991, 85(3): 363-379.

[15] Vishwakarma R K, Ranjan V, Kumar J. Comparison of explosion parameters for Methane-Air mixture in different cylindrical flameproof enclosures[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 31(31): 82-87.

[16] Wen X, Yu M, Ji W, et al. Methane-air explosion characteristics with different obstacle configurations[J]. International Journal of Mining Science & Technology, 2015, 25(2): 213-218.

[17] 丁以斌, 肖福全, 宣曉燕,等. 立體結(jié)構(gòu)障礙物的不同放置方式對甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬J]. 煤炭學(xué)報, 2012, 37(1):137-140.

DING Yibin, XIAO Fuquan, XUAN Xiaoyan, et al. Deposited manner of solid structure obstacles influence on flame propagation in premixed-methane tube[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(1):137-140

[18] Yu M, Zheng K, Chu T. Gas explosion flame propagation over various hollow-square obstacles[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2016, 30:221-227.

[19] 郭丹彤, 呂淑然. 受限空間障礙物截面變化對混合氣體爆炸特性參數(shù)的影響研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016, 12(2):83-87.

GUO Dantong, LV Shuran. Research on influence to characteristic parameters of mixed gas explosion by section variation of obstacle in confined space[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(2):83-87.

[20] Hall R, Masri A R, Yaroshchyk P, et al. Effects of position and frequency of obstacles on turbulent premixed propagating flames[J]. Combustion and Flame, 2009, 156(2): 439-446.

[21] 余立新, 孫文超, 吳承康. 障礙物擾動對預(yù)混火焰發(fā)展的影響[J]. 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué), 2003, 33(5):420-428.

YU Lixin, SUN Wenchao, WU Chengkang. Effects of disturbance on the development of premixed flame[J]. Science in China(Series E), 2003,33(5):420-428.

[22] 溫小萍. 瓦斯湍流爆燃火焰特性與多孔介質(zhì)淬熄抑爆機(jī)理研究[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2014