王帆

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 廊坊065000）

1 概述

礦井瓦斯爆炸事故是礦井生產(chǎn)過程中最為嚴(yán)重的事故類型之一。瓦斯爆炸引起的高溫火焰和高速?zèng)_擊波對作業(yè)面工作人員及礦用生產(chǎn)設(shè)備都有嚴(yán)重的損害。認(rèn)清礦井瓦斯爆炸這類受限空間內(nèi)瓦斯爆炸的規(guī)律對進(jìn)行礦井瓦斯爆炸防治有重要意義。

煤科院重慶分院建造了多種大尺度激波爆轟管用于對可燃?xì)怏w及粉塵的爆炸實(shí)驗(yàn)。梁運(yùn)濤、王連聰[3]等人利用CHEMKIN 4.1 軟件中的NormalIncident Shock 反應(yīng)器結(jié)合數(shù)值分析及數(shù)學(xué)物理學(xué)方程推導(dǎo)方式建立了激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。林伯泉、景國勛[1]等對瓦斯爆燃產(chǎn)生的火焰波和壓力波傳播機(jī)理進(jìn)行了研究，根據(jù)爆炸巷道的幾何特性對爆炸傳播的影響做出了實(shí)驗(yàn)研究。史曉亮[4]等人對中尺度管道內(nèi)壓力火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行了初步研究。徐景德[2]等人對強(qiáng)火源條件下瓦斯點(diǎn)火化學(xué)熱力學(xué)特征進(jìn)行了研究。

數(shù)值模擬方法具有參考性但不具有確定性。真實(shí)礦井條件下進(jìn)行瓦斯爆炸模擬實(shí)驗(yàn)無法保證氣密性，以至于實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較粗糙，采用激波管對礦井瓦斯爆炸模擬是一種有效可靠的實(shí)驗(yàn)方法。中尺度激波管內(nèi)壓力火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但是對壓力火焰?zhèn)鞑H是在單獨(dú)一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行研究，認(rèn)識具有局限性，結(jié)合光學(xué)流場測量可以完整準(zhǔn)確地描述出甲烷燃燒爆炸現(xiàn)象并對找出影響因素有更直觀的幫助。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)采用華北科技學(xué)院瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)室（200mm×200mm）方形中尺度激波管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合充配氣系統(tǒng)，壓力、火焰?zhèn)鞲衅骷捌鋽?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電點(diǎn)火系統(tǒng)和光學(xué)流場顯示系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)對甲烷預(yù)混氣體進(jìn)行試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用的壓力傳感器為M111A22 型PCB 公司生產(chǎn)的傳感器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采為東華數(shù)采系統(tǒng)：配備采樣頻率為20Hz的16 通道數(shù)采通道和DHDAS 動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。將壓電傳感器的數(shù)據(jù)線分別連接到動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)相應(yīng)的通道上，測試系統(tǒng)的輸出端連接到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中安裝東華DHDAS 動(dòng)態(tài)信號采集分析系統(tǒng)軟件，將采集到的信號采集壓電傳感器的數(shù)據(jù)，繪制壓力圖線，計(jì)算壓縮波速度和壓力數(shù)值。

超高速相機(jī)通過高頻采樣進(jìn)行瞬態(tài)捕捉，其中實(shí)驗(yàn)所選用的超高速相機(jī)是日產(chǎn)的高速相機(jī)，設(shè)備可以進(jìn)行每秒1 萬幀幅的拍攝，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)需求。

實(shí)驗(yàn)使用的光學(xué)系統(tǒng)是布置在光學(xué)平臺上的紋影系統(tǒng)，通過擴(kuò)束和兩次凹球反射鏡的反射，可以獲得一束質(zhì)量較好，分布均勻的平行光，532nm 激光，激光器的能量為6w。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

檢查氣密性氣密性檢查采用正壓檢漏：打開主操作臺開關(guān)；打開主操作臺管體、空壓機(jī)、壓力表的旋鈕；打開副操作臺；打開主操作臺壓力表的開關(guān)；打開空壓機(jī)開關(guān)，并觀察主操作臺壓力表的讀數(shù)；當(dāng)主操作臺壓力表的讀數(shù)達(dá)到所需壓力值PA 時(shí)，將空壓的旋鈕關(guān)閉，并且將空壓機(jī)開關(guān)關(guān)閉；觀察主操作臺壓力表讀數(shù)是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，說明漏氣，用泡沫水對各連接處進(jìn)行漏氣檢測。當(dāng)主操作臺壓力表讀數(shù)在一段時(shí)間不發(fā)生變化時(shí)，證明此時(shí)氣密性完好。

檢查氣密性后對中尺管進(jìn)行抽真空操作。將真空泵電閘合上，并打開真空泵紅色電源按鈕；將真空泵的閘門打開，然后按下真空泵紅色電源按鈕下方的開按鈕，開始抽真空，并觀察真空泵上的簡易壓力表；當(dāng)簡易壓力表讀數(shù)接近一個(gè)大氣壓（0.101325MP）時(shí)，注意觀察主操作臺上壓力表的讀數(shù)；當(dāng)主操作臺壓力表讀數(shù)小于一個(gè)大氣壓時(shí)，迅速將壓力表的旋鈕關(guān)閉；打開真空計(jì)的旋鈕，并將真空計(jì)的開關(guān)打開，注意觀察真空計(jì)的讀數(shù)；當(dāng)真空計(jì)讀數(shù)不再變化時(shí)，將真空計(jì)的讀數(shù)P1 記錄下；按下真空泵紅色的關(guān)按鈕，將真空泵電源斷開。

進(jìn)行抽真空操作后開始對系統(tǒng)充入預(yù)混氣體，實(shí)驗(yàn)采用體積分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷預(yù)混氣體。打開儲(chǔ)氣罐的閥門，再打開主操作臺的儲(chǔ)氣罐旋鈕；注意觀察真空計(jì)的讀數(shù)，當(dāng)真空計(jì)的讀數(shù)接近一個(gè)大氣壓時(shí)，將主操作臺真空計(jì)旋鈕關(guān)閉，觀察真空泵上的簡易壓力表，當(dāng)壓力表讀數(shù)大于一個(gè)大氣壓時(shí)，再旋開主操作臺壓力表的旋鈕，觀察主操作臺壓力表的讀數(shù)；當(dāng)主操作臺壓力表的讀數(shù)達(dá)到預(yù)定充氣氣壓時(shí)，迅速將主操作臺的儲(chǔ)氣罐旋鈕關(guān)閉；并且將主副操作臺的所有旋鈕關(guān)閉，關(guān)閉主操作臺壓力表的開關(guān)；將儲(chǔ)氣罐的閥門關(guān)閉。

對照編號連接傳感器和動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，試運(yùn)行動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，確認(rèn)傳感器和測試分析系統(tǒng)正常運(yùn)行，若不能正常運(yùn)行，更換傳感器、連接線或?qū)嶒?yàn)通道。

將激光器布置在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上。打開激光器發(fā)射直徑為3mm 的激光通過擴(kuò)束鏡后獲得直徑30mm 的激光，調(diào)節(jié)高度和角度，使激光器通過擴(kuò)束鏡后產(chǎn)生一束252mm 的平行光線并使平行光線照射到第一面凹球反射鏡上。

打開高速相機(jī)，在第二面凹球反射鏡和實(shí)驗(yàn)段間靠近實(shí)驗(yàn)段觀察窗位置處點(diǎn)燃蠟燭。使蠟燭的火焰處在光束的照射范圍內(nèi)。調(diào)整高速相機(jī)的位置使高速相機(jī)可以拍到光束照射蠟燭后產(chǎn)生的陰影。調(diào)整高速相機(jī)的光圈大小和拍攝頻率，使蠟燭火焰陰影顯示清楚。

設(shè)置拍攝同步控制。實(shí)驗(yàn)室使用的相機(jī)為CCD 相機(jī)，CCD相機(jī)可以使用TTL 信號控制。實(shí)驗(yàn)室可以采用八通道延時(shí)控制器，可以設(shè)置當(dāng)?shù)谝坏兰げㄍㄟ^第一個(gè)壓力或火焰?zhèn)鞲衅骱箝_始。

調(diào)整點(diǎn)火系統(tǒng)使其正常工作，實(shí)驗(yàn)使用5.475J 能量作為點(diǎn)火源，測試點(diǎn)火時(shí)間，調(diào)整同步控制系統(tǒng)，開始實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)開始，高壓電點(diǎn)火后，將會(huì)在點(diǎn)火尖端產(chǎn)生一道激波，激波將沿著管道進(jìn)行傳播，最終達(dá)到泄爆倉?；鹧嬖诠艿纻鞑ミ^程中，分別將通過布置在管道壁面上的壓力、火焰?zhèn)鞲衅?。?shí)驗(yàn)中，火焰在35 米的管道中傳播了接近兩秒鐘。在激波的加速作用下，火焰的傳播逐漸劇烈。

通過相鄰兩個(gè)傳感器捕捉到信號的時(shí)間差可以測出火焰?zhèn)鞑ニ俣?，可得知火焰在一開始進(jìn)行加速，這是由于產(chǎn)生激波的作用，對火焰面起來推進(jìn)作用，其速度已經(jīng)達(dá)到了40m/s,之后火焰開始不停的加速減速，這是由于激波速度遠(yuǎn)大于火焰，當(dāng)激波在管道內(nèi)壁發(fā)生碰撞，產(chǎn)生了復(fù)雜的稀疏波，對火焰產(chǎn)生了復(fù)雜的相互作用。最終使火焰維持在一個(gè)穩(wěn)定的速度向前傳播?；鹧?zhèn)鞑ミ^程中整體是遵循能量守恒定律的。

4.1 質(zhì)量守恒

質(zhì)量守恒方程簡化為：

4.2 動(dòng)量守恒

4.3 能量守恒

4.4 組分守恒

火焰在傳播過程中可以看出，當(dāng)?shù)谝坏啦ǖ竭_(dá)管道末端時(shí)僅僅用了140ms，此時(shí)火焰還遠(yuǎn)沒有到達(dá)，假設(shè)激波在管道中以一個(gè)平面進(jìn)行傳播，所以當(dāng)激波接觸到泄爆倉前的盲板時(shí)，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一道平行的反射波，從而對火焰進(jìn)行減速。但是實(shí)際情況中的巷道情況往往是復(fù)雜的，這就導(dǎo)致了在末端測電處捕捉到的波系也很混亂。此時(shí)最大壓力達(dá)到了350kpa，這樣的壓力可以造成強(qiáng)烈的破壞。

通過測量光信號可以得知，隨著火焰的傳播，光信號逐漸變強(qiáng)，在傳播過程，光信號加強(qiáng)但壓力信號逐漸下降，并在最后達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值，在此變化過程中存在四個(gè)過程。

當(dāng)?shù)谝坏兰げǖ竭_(dá)時(shí)，由于理論上可以認(rèn)為沖擊波是保持一個(gè)駐面進(jìn)行移動(dòng)，激波對波前氣體產(chǎn)生了擠壓和加速作用，壓力達(dá)到首個(gè)峰值；

當(dāng)沖擊波過后，氣體被壓縮，會(huì)導(dǎo)致波后氣體壓力降低，當(dāng)激波離開此區(qū)域，其他區(qū)域的氣體會(huì)進(jìn)行回填，此時(shí)壓力信號會(huì)顯示一段負(fù)值；

當(dāng)火焰接近時(shí)，火焰的高溫會(huì)使氣體產(chǎn)生膨脹，此時(shí)氣體再次壓力升高，波陣面也會(huì)發(fā)生扭曲；

當(dāng)火焰陣面到達(dá)時(shí)，由于火焰的加速推動(dòng)作用，氣體的壓力會(huì)產(chǎn)生突躍，壓力可以達(dá)到第二個(gè)峰值點(diǎn)。點(diǎn)火后第一道波通過觀察窗，根據(jù)拍攝幀頻對波速進(jìn)行測量，波速測量結(jié)果與壓力傳感器測量結(jié)果相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效。

5 結(jié)論

5.1 實(shí)驗(yàn)詳細(xì)地按照了激波管爆炸實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，經(jīng)過驗(yàn)證各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，通過實(shí)驗(yàn)可以清楚的了解激波管內(nèi)壓力火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，光學(xué)流場也捕捉到了火焰前激波的發(fā)展方式，為以后對甲烷氣體爆炸抑制實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。

5.2 甲烷氣體爆炸過程中，第一道波后是稀疏波區(qū)域，波后是火區(qū)，但由于沖擊波火焰作用愿意，波后質(zhì)點(diǎn)得到了加速，趕上了第一道波后就會(huì)發(fā)生爆轟。

5.3 實(shí)驗(yàn)中沒有達(dá)到爆轟，因?yàn)楣艿篱L度限制不足以讓第一道波后稀疏波加速追上第一道波，下一步實(shí)驗(yàn)為達(dá)到爆轟可以增加加膜段使波得到加速。在瓦斯爆炸事故中，并非所有事故都達(dá)到了爆轟這一量級，所以實(shí)驗(yàn)仍然具有參考意義。

5.4 實(shí)驗(yàn)使用的是中尺度管道，相比于小尺度管道，波速明顯下降，這是因?yàn)榇蟪叨裙艿肋吔缂s束較低，小尺度管道約束較高，通過觸壁使波速得到了增加。