羅振敏 ，吳 剛

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054；3.西部煤礦安全教育部工程研究中心，陜西 西安710054）

瓦斯爆炸是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要危險(xiǎn)因素。根據(jù)煤礦安全事故統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)事故是由于瓦斯爆炸引起，約占特別重大事故的70%左右[1]。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同工況下的氣體爆炸特性及其傳播規(guī)律進(jìn)行了理論分析[2-9]、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[10-11]。研究者們采用不同的實(shí)驗(yàn)裝置和模擬軟件研究了多種工況和環(huán)境對(duì)瓦斯爆炸的影響，但對(duì)于密閉環(huán)境條件下瓦斯爆炸的研究則較少?；诖耍ㄟ^建立簡單的長直密閉管道，通過分析爆炸壓力、溫度和火焰?zhèn)鞑サ淖兓芯棵荛]空間內(nèi)瓦斯爆炸的特性。

1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

1.1 物理模型

簡化的模擬巷道兩端密閉，在x、y、z 軸方向上的長度為200、4、4 m，巷道模型如圖1。巷道內(nèi)充填有多種濃度的甲烷-空氣混合氣體。設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)為其起點(diǎn)，其中點(diǎn)火位置坐標(biāo)為（0.25 m，2.25 m，2.25 m），點(diǎn)火開始時(shí)間設(shè)置為0 s?？扇夹詺怏w充填的范圍為從坐標(biāo)原點(diǎn)到（50 m，4 m，4 m）。對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛葹?8.5%、9.5%和 10.5%。

圖1 巷道模型Fig.1 Roadway model

1.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬過程中將整個(gè)巷道設(shè)為計(jì)算區(qū)域，采用均勻網(wǎng)格劃分，在保證計(jì)算精度的前提下，在x、y、z 軸 3 個(gè)方向的網(wǎng)格數(shù)依次為 400、8、8 個(gè)。在巷道 x 方 向 的（10.75、40.75、72.75、104.75、136.75、168.75、198.75 m）處分別設(shè)置了 7 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測爆炸過程中特性參數(shù)的變化情況，網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division diagram

1.3 基本假設(shè)

瓦斯爆炸是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程，其中包括流體的流動(dòng)擴(kuò)散、多孔介質(zhì)傳熱、表面的化學(xué)反應(yīng)、氣體產(chǎn)物 ( 如 CO、H2O 等) 的生成與擴(kuò)散等，這些過程決定了瓦斯爆炸反應(yīng)的最終特性。為了簡化計(jì)算，從問題的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)模型做如下合理假設(shè)： 管道內(nèi)的爆炸氣體滿足真實(shí)氣體狀態(tài)方程;甲烷爆炸過程為單步反應(yīng); 爆炸過程為絕熱過程，忽略受限容器裝置與外界環(huán)境的熱交換。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 爆炸壓力的變化

濃度9.5%時(shí)甲烷爆炸壓力曲線如圖3。從圖3可以看出，隨著爆炸壓力從距離點(diǎn)火端最近的位置逐漸向遠(yuǎn)處依次傳播，各測點(diǎn)的爆炸曲線也是依次出現(xiàn)初值。從整體上看，密閉空間內(nèi)瓦斯爆炸壓力曲線的最顯著特征就在于壓力曲線的反復(fù)波動(dòng)，出現(xiàn)多個(gè)壓力峰值。而存在泄壓的壓力曲線一般只有1 個(gè)壓力峰值，這是二者最明顯的區(qū)別。但這也與泄壓口的面積和瓦斯?jié)舛却嬖谝欢P(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[10]來看，在濃度較高和泄壓口較小的情況下，爆炸壓力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。觀察圖3 中的壓力曲線，各測點(diǎn)的壓力是從近到遠(yuǎn)依次達(dá)到第1 個(gè)壓力峰值的，而第2個(gè)壓力峰值則是從遠(yuǎn)到近依次出現(xiàn)。這個(gè)現(xiàn)象是由于密閉空間所造成的壓力波反向傳播而產(chǎn)生的。對(duì)于前6 個(gè)觀測點(diǎn)，2 次峰值間隔時(shí)間明顯，測點(diǎn)7 的反向壓力波峰值并沒出現(xiàn)，這可能是因?yàn)榇擞^測點(diǎn)距末端太近導(dǎo)致正向波和反射波出現(xiàn)了疊加。

圖3 濃度9.5%時(shí)甲烷爆炸壓力曲線圖Fig.3 Methane explosion pressure curves at 9.5%concentration

各濃度下甲烷最大爆炸壓力曲線如圖4。

圖4 甲烷最大爆炸壓力曲線Fig.4 Maximum explosive pressure curves of methane

各濃度下曲線的變化規(guī)律呈相同趨勢。前3 個(gè)觀測點(diǎn)的壓力依次下降，在測點(diǎn)4 和測點(diǎn)5 先是略有上升然后稍微下降，之后一直上升，且上升的斜率較大。這說明從第5 個(gè)觀測點(diǎn)開始，密閉條件對(duì)壓力的影響很大，距離末端的密閉越近，其影響程度也越大。

從各種濃度對(duì)最大爆炸壓力的比較而言，甲烷濃度為10.5%時(shí)的爆炸壓力影響大于9.5%，而濃度為8.5%時(shí)的最低。尤其是對(duì)點(diǎn)火端和末端的影響最為顯著，而末端的影響又大于點(diǎn)火端。這說明在末端產(chǎn)生的反向沖擊波在傳播的過程中，能量不斷耗散，直至傳播到起始段又開始正向傳播。而第4 觀測點(diǎn)的最大爆炸壓力略高于第3 和第5 觀測點(diǎn)的原因有可能是多個(gè)壓力波疊加的結(jié)果。

2.2 爆炸溫度的變化

瓦斯?jié)舛?.5%時(shí)各測點(diǎn)溫度曲線如圖5。

圖5 濃度9.5%時(shí)各測點(diǎn)溫度曲線Fig.5 Methane explosion temperature curves at 9.5%concentration

各觀測點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的推移依次上升。測點(diǎn)1 至測點(diǎn)5 依次在某一時(shí)間段溫度會(huì)突然上升，達(dá)到1 個(gè)很高的值。這主要是因?yàn)榛鹧娣饷嬖诖藭r(shí)刻傳播到此點(diǎn)而引起。之后溫度會(huì)出現(xiàn)多次波動(dòng)，但不同的是測點(diǎn)1 至測點(diǎn)3 的波動(dòng)較測點(diǎn)4 至測點(diǎn)5號(hào)觀測點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅值要小的多。這可能是由于壓力波的傳播過程導(dǎo)致火焰在經(jīng)過測點(diǎn)4 至測點(diǎn)5的位置時(shí)的會(huì)出現(xiàn)反復(fù)，在經(jīng)過這2 個(gè)點(diǎn)時(shí)，溫度突然升高；當(dāng)火焰的傳播由于壓力作用而收縮不能通過這2 點(diǎn)時(shí)，溫度突然降低。但對(duì)于測點(diǎn)1 至測點(diǎn)3點(diǎn)，由于處在燃料區(qū)或距燃料區(qū)近，則火焰在這一段的傳播受壓力波的影響較小，因此只出現(xiàn)較小的波動(dòng)。對(duì)于測點(diǎn)6 至測點(diǎn)7，其溫度相對(duì)于其他5 點(diǎn)是非常小的，這說明火焰并未傳播到這一段，而溫度升高的主要因素是熱輻射和壓力對(duì)空氣壓縮而產(chǎn)生的溫度變化。

在不同濃度條件下，各測點(diǎn)最高溫度曲線如圖6。整體上來看，和對(duì)壓力的影響相同，10.5%時(shí)的最高溫度值最大，其次是9.5%時(shí)的最高溫度，最低的是8.5%時(shí)的最高溫度。濃度為9.5%和10.5%時(shí)的數(shù)值比較接近，在各測點(diǎn)的值依次呈現(xiàn)先下降然后略上升最后再減小的規(guī)律，而濃度為8.5%時(shí)的最高溫度一直呈下降趨勢。這也說明了濃度為9.5%和10.5%時(shí)的反應(yīng)比8.5%時(shí)要強(qiáng)烈得多。第7 點(diǎn)的壓力較第6 點(diǎn)略有上升可能是由于壓力波對(duì)空氣的壓縮焓變所導(dǎo)致。

圖6 各測點(diǎn)最高溫度曲線Fig.6 Maximum temperature curves of each measuring point

2.3 火焰形態(tài)的發(fā)展變化

由于氣體燃燒反應(yīng)發(fā)生在火焰鋒面，可以通過燃燒產(chǎn)物的生成過程來觀察火焰的傳播過程的形狀和速度變化。根據(jù)上述分析可知，無論是最大爆炸壓力還是最高溫度都是當(dāng)甲烷濃度為10.5%時(shí)其值最大，因此選取濃度為10.5%時(shí)，不同時(shí)刻火焰形態(tài)發(fā)展過程如圖7。

從圖7 可以看出，在1 s 以前，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，且巷道上部火焰?zhèn)鞑ニ俣容^下部要更快；傳播至1 203 ms 時(shí)，火焰面被拉伸的更寬，傳播速度較上一階段明顯加快；當(dāng)傳播到1 475 ms 時(shí)，火焰鋒面前端已經(jīng)接近第6 監(jiān)測點(diǎn)，巷道下部的火焰鋒面后端也基本趕上了上部的火焰后端，這一階段火焰?zhèn)鞑ニ俣容^上2 個(gè)階段更快。之后由于受壓力作用火焰鋒面前端不在向前傳播，火焰后端繼續(xù)向前傳播，但傳播距離很短；當(dāng)傳播到1 625 ms 時(shí)，火焰已表現(xiàn)為明顯的反向傳播，火焰鋒面向后移動(dòng)。雖然這是濃度10.5%時(shí)的火焰發(fā)展?fàn)顩r，但根據(jù)相似性，說明了對(duì)上述2 小節(jié)現(xiàn)象的解釋應(yīng)該是正確的。在1 725 ms，火焰已不再規(guī)則，說明出現(xiàn)了湍流現(xiàn)象，之后湍流現(xiàn)象越來越明顯，直到反應(yīng)結(jié)束。

圖7 火焰形態(tài)發(fā)展過程Fig.7 Diagram of flame morphology development

3 結(jié) 論

1）密閉空間內(nèi)，由于壓力波的反射作用導(dǎo)致瓦斯爆炸壓力曲線多次波動(dòng)，且波動(dòng)幅值大，出現(xiàn)多個(gè)壓力峰值，這是和存在泄壓口的爆炸環(huán)境的最大區(qū)別，且爆炸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存在泄壓口的環(huán)境。

2）在爆炸傳播過程中，各點(diǎn)的爆炸溫度按距點(diǎn)火位置的遠(yuǎn)近隨時(shí)間推移依次開始升高且在某一點(diǎn)突然出現(xiàn)極大幅度的上升，之后溫度出現(xiàn)波動(dòng)，在距離燃料區(qū)較近區(qū)域波動(dòng)幅度小，在稍遠(yuǎn)的距離波動(dòng)幅度大。而在距末端較近的距離，溫度升高的幅度較前面的監(jiān)測點(diǎn)而言值非常小。

3）對(duì)比不同濃度的甲烷，其對(duì)爆炸最大壓力和最高溫度的影響規(guī)律相同。濃度為10.5%的甲烷氣體的影響最大，9.5%的次之，而8.5%的則最小，且10.5%和 9.5%的值較接近，8.5%的差距較其他兩者較大。

4）爆炸過程中，火焰形態(tài)出現(xiàn)明顯變化。開始階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，火焰鋒面被拉伸變長，但傳播到第6 監(jiān)測定附近后由于壓力作用會(huì)反向傳播。之后出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，直至反應(yīng)結(jié)束。