不同強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h1>
2021-03-24 02:21:08張子陽潘榮錕余明高陳立偉溫小萍
煤炭學報 2021年2期
裴 蓓，張子陽，潘榮錕，余明高，陳立偉，溫小萍
(1.河南理工大學 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003; 2.重慶大學 煤礦災(zāi)害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044)
瓦斯爆炸是影響煤礦安全生產(chǎn)的“頭號殺手”。煤礦中重大爆炸事故往往是由瓦斯、煤塵共同參與爆炸引起的，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過程中不斷卷吸巷道四周沉積煤塵，形成分布不均勻的可燃性粉塵云，隨之受到高溫火焰面引燃，以不間斷爆炸的形式傳播[1]，導致瓦斯/煤塵爆炸具有更高破壞性。
近年來，國內(nèi)外學者對瓦斯/煤塵爆炸特性及其影響因素展開了實驗與數(shù)值模擬研究。司榮軍[2]、李慶釗[3]、屈姣[4]、李潤之[5]、HUéSCAR MEDINA[6]、ZHAO Peng[7]、湯其建[8]、王博[9]、王育德[10]、王洪雨[11]、宮廣東[12]、畢明樹[13]等研究了甲烷含量、揮發(fā)分、煤塵粒度、分散度、質(zhì)量濃度等對不同揮發(fā)分煤塵爆炸濃度下限、爆炸壓力、點火能等影響，指出甲烷的存在使甲烷/煤塵混合物點火的下限降低，最大壓力上升速率增大，爆炸持續(xù)時間明顯縮短;煤塵爆炸下限隨揮發(fā)分增大而減小;點火下限隨點火能量的增加而降低，隨煤塵揮發(fā)分的減小而上升，隨煤塵粒度的減小而降低;煤塵粒徑越小，分散度越大，爆炸下限降低且爆炸壓力升高。陳東梁等[14-15]研究了燃料組分構(gòu)成、煤塵粒徑和煤塵種類對甲烷/煤塵復合體系燃燒反應(yīng)特性和火焰結(jié)構(gòu)的影響。LIU等[16]研究表明:煤塵和甲烷共存顯著提高了火焰的傳播速度和最大火焰溫度，大大高于單一煤塵火焰的傳播速度和最大火焰溫度。陸守香等[17]研究發(fā)現(xiàn)氣粉復合火焰是由氣體火焰、粉塵火焰和反向傳播的粉塵火焰構(gòu)成瞬態(tài)的三波陣面結(jié)構(gòu)。
董呈杰[18]采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對管道內(nèi)的甲烷氣相爆炸和甲烷/煤塵混合爆炸過程進行了研究。CAO等[19-20]通過實驗和數(shù)值模擬研究了半封閉垂直燃燒管中煤塵爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑バ袨楹蜔彷椛湫?yīng)，結(jié)果表明:隨著管長的增加，火焰的最高傳播速度和最大火焰溫度均逐漸增加。李海濤等[21]構(gòu)建了豎直管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混擴散及爆炸物理數(shù)學模型，對管道內(nèi)甲烷/煤塵的擴散特征和爆炸過程進行了數(shù)值模擬，分析了管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混湍流特征及爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程。
沖擊波誘導煤塵爆炸方面，HOUIM等[22]研究了鋪設(shè)煤塵層稀薄致度密對爆炸結(jié)構(gòu)與火焰速度的影響。結(jié)果表明:松散的煤塵層比致密層更危險，沖擊波和火焰波更強烈地耦合于松散的煤塵層，以更高的速度傳播，并產(chǎn)生大的過壓和脈沖。朱傳杰、林柏泉等[23-24]研究了沉積粉塵密度、波前流速、粉塵粒徑等對揚塵特征的影響，分析了不同位置處的最大爆炸壓力和火焰出現(xiàn)時間，探討了氣流與沉積煤塵床相互作用的氣體動力學機理及其誘導的化學反應(yīng)歷程。劉丹[25]、李潤之[26-28]、胡雙啟[29]、尉存娟等[30]分析了瓦斯爆炸引起沉積煤塵卷揚爆炸的機理，并研究了煤塵上揚的原因和爆炸壓力的變化規(guī)律。SONG等[31-32]為了研究局部瓦斯爆炸誘發(fā)積灰燃燒的規(guī)律，對粉塵噴射和參與瓦斯爆炸過程進行了數(shù)值模擬。
綜上所述，現(xiàn)有研究主要圍繞瓦斯/煤塵共存時爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊缺ㄌ匦哉归_。由于煤礦瓦斯/煤塵爆炸火焰是一個由沖擊波引導的煤塵云火焰形成的復合體，沖擊波強度對沉積煤塵的卷吸效果有重要影響，而目前對復合沖擊火焰的形成與火焰加速方面的研究較少。為此，有必要進一步研究不同爆炸強度下的煤塵卷吸特征，以揭示其對瓦斯/煤塵爆炸火焰加速的影響。
故此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，搭建了沖擊波誘導沉積煤塵爆炸實驗平臺，以褐煤煤粉為研究對象，分析沖擊波作用下煤塵云的卷吸特征，研究不同爆炸強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及影響因素，探討復合火焰的加速機理。
1 實驗裝置及工況
1.1 實驗裝置介紹
實驗平臺由方形透明有機玻璃管道、配氣系統(tǒng)、高壓點火系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)、高速粒子成像測速系統(tǒng)、同步控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。爆炸管道由兩根分別為150 mm×150 mm×400 mm的充氣管道和150 mm×150 mm×1 000 mm的煤塵鋪設(shè)管道連接組成，管道一端固定封閉另一端活動封閉，兩根管道中間安裝一尺寸為150 mm×150 mm×2 mm的方形鋼板，中心位置有一直徑為100 mm的圓孔，實驗時用PVC薄膜對中間連接鋼板處和管道末端進行密封。相比于其他形狀的孔型，圓孔對火焰產(chǎn)生的影響最低[33]，也可避免因破膜位置不同造成較大差異的卷揚效果。
配氣系統(tǒng)由2個Alicat質(zhì)量流量控制器(MFC)組成，用于控制甲烷、空氣的流速并輸送到充氣管道中。高壓點火系統(tǒng)由 HEI19系列高能點火器、點火電極組成，點火電壓為 6 kV。壓力和火焰溫度采集由USB-1608FS Plus型數(shù)據(jù)采集卡、MD-HF型高頻壓力傳感器和自制R型微細熱電偶組成，壓力傳感器的量程為-0.1～0.1 MPa，綜合精度為0.25%。高速攝像圖像采集系統(tǒng)由Speed Sense VEO 710型高速攝像機、圖像控制器和圖像處理系統(tǒng)組成，最大分辨率為1 280像素×800像素，拍攝速度為2 000 fps。
圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system diagram
1.2 實驗工況與方法
實驗選用褐煤煤粉為研究對象，煤樣詳細工業(yè)分析見表1。甲烷的體積分數(shù)分別為7.5%，8.5%和9.5%。實驗前，在鋪設(shè)煤塵管段底部均勻鋪設(shè)煤塵層，其鋪粉位置離圓孔處200 mm，鋪設(shè)長度為300 mm，鋪粉量為3.2 g。實驗前，用薄膜將管道密封后，采用4倍體積排氣法向充氣管段充入CH4/Air預(yù)混氣[34]，6 min后關(guān)閉進氣和排氣閥門并靜置15 s后點火。同步控制器和高速攝像機處于等待觸發(fā)狀態(tài)，當點火裝置啟動后，同步開啟高速攝像機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個測試至少重復3次，以確保重復性。
表1 煤塵工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industry analysis results of coal dust %
1.3 煤粉的形狀特征與粒徑分布
實驗選用經(jīng)300目標準篩篩分的樣品，分別采用NHT5200型激光粒度分析儀和FEI-FEG250場發(fā)射掃描電鏡測量了實際褐煤煤樣的粒徑分布情況和SEM圖像，如圖2所示。從圖2中可以看出煤粉的微觀形狀為標準的塊狀，其平均特征直徑D50為20.75 μm，表明煤塵的分散性良好。在每個實驗開始前，將煤粉粉塵儲存在25 ℃的干燥器中24 h，以消除水分。
圖2 褐煤煤粉的粒徑分布及SEM圖像Fig.2 Particle size distribution and SEM image of lignite dust
2 實驗結(jié)果討論
2.1 不同爆炸強度下壓力分析
圖3為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓力-時間曲線。由圖3可以看出，甲烷被引爆后沖破管道中間的PVC薄膜，爆炸壓力曲線出現(xiàn)了第1個小峰值;之后由于沖擊波將煤塵揚起能量損耗和加熱煤塵，致使壓力下降;當有足夠的煤塵熱解揮發(fā)后，甲烷/煤塵復合體系的爆炸超壓驟升，由于出口端PVC薄膜破裂泄壓，達到壓力平衡后出現(xiàn)壓力最大值;此后由于負壓作用，火焰沖出管道后負壓回吸新鮮空氣，繼續(xù)卷揚剩余的煤粉燃燒，如此反復，致使壓力曲線出現(xiàn)了衰減性振蕩。結(jié)合圖4中3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓升速率-時間曲線可以看出，壓升速率曲線也呈振蕩態(tài)勢，且最大壓力上升速率出現(xiàn)在第2個燃燒波，說明對于氣粉兩相爆炸體系，爆炸泄壓后因新鮮空氣回吸且管道內(nèi)留存較多煤粉，后續(xù)還可發(fā)生多次爆炸。為了利用PIV獲得清晰的煤塵粒子分布圖像，煤粉鋪粉量僅為3.2 g，如果鋪粉量增加，強爆炸時將會形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云，二次爆炸超壓則有可能超過首次爆炸。該現(xiàn)象值得今后在瓦斯/煤塵爆炸等氣粉兩相爆炸事故預(yù)防中注意。
圖3 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓力-時間曲線Fig.3 Pressure-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖4 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓升速率- 時間曲線Fig.4 Pressure rise rate-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
另一方面，爆炸沖擊波對沉積煤塵的卷揚效果主要由波前氣體流速控制[23]。然而，通常波前流速的測量在實驗條件下很難獲得。筆者主要通過控制甲烷體積分數(shù)獲得不同的初始爆炸強度，沖擊波進入鋪粉管段后可產(chǎn)生不同水平的波前流速。結(jié)合圖3，4，當甲烷體積分數(shù)為7.5%時，壓力曲線只有1個破膜峰值，且峰值來臨時間顯著延遲，這是由于波前流速過低，火焰?zhèn)鞑サ戒伔酃芏螘r僅有很少量煤塵被輕微揚起，致使煤粉熱解產(chǎn)生的可燃揮發(fā)性氣體不足，甚至消耗了沖擊波能量，火焰?zhèn)鞑t不能繼續(xù)。然而，當甲烷的體積分數(shù)為9.5%時，爆炸超壓峰值增至32.9 kPa，是甲烷體積分數(shù)為8.5%時的2.3倍，最大峰值來臨時刻提前了76.7%;壓升速率峰值為7.1 kPa/ms，是甲烷體積分數(shù)為8.5%時的2.7倍?？梢姡?種工況下當甲烷的體積分數(shù)接近當量比時，波前流速越大，越有利于更多煤塵被卷揚，形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云參與熱解，導致強爆炸產(chǎn)生。
2.2 不同爆炸強度下火焰溫度分析
圖5，6分別為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰溫度-時間曲線和火焰溫度峰值及來臨時刻隨沖擊波強度變化曲線。由圖5,6可以看出，火焰溫度曲線出現(xiàn)驟升現(xiàn)象;在3種工況下，最大火焰溫度隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比線性上升，分別為699，922和1 219 ℃，而火焰溫度峰值來臨時刻則線性下降，且結(jié)合圖4火焰溫度峰值來臨時刻與爆炸超壓峰值來臨時刻保持一致，說明當甲烷的體積分數(shù)接近當量比時，煤粉燃燒產(chǎn)生的熱量遠大于煤粉熱解需要的熱量，導致火焰溫度急劇升高，支持了強爆炸的傳播。
圖5 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰溫度- 時間曲線Fig.5 Temperature-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖6 火焰溫度峰值及來臨時刻隨沖擊波強度變化曲線Fig.6 Curves of temperature peak and its arrival time with shock waves intensity
利用Savitzky-Golay方法[35]對爆炸溫度的演化進行了過濾與計算，得到了3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸溫升速率-時間變化曲線，如圖7所示。可以看出:甲烷體積分數(shù)對復合火焰溫升速率有重要影響。最明顯影響是在溫升速率的半峰時間寬度上，體積分數(shù)為9.5%甲烷誘導煤塵爆炸火焰溫升速率曲線的半峰時間寬度分別是8.5%和7.5%時的22.4%和56.7%，說明隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比，初始爆炸強度增加，有更多的煤粉參與到爆炸的過程中，從而導致煤塵的燃燒速度加快。圖8為復合火焰最大溫升速率及其來臨時刻隨甲烷體積分數(shù)變化曲線。可以看出，3種工況下最大溫升速率隨著甲烷體積分數(shù)的增加而增加，且在8.5%～9.5%增長更顯著;而溫升速率峰值來臨時間隨著甲烷體積分數(shù)的增加線性降低，也說明了當甲烷體積分數(shù)接近當量比時，更多的煤塵熱解促使火焰溫度快速上升。
圖7 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰溫升速率- 時間曲線Fig.7 Temperature rise rate-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖8 復合火焰最大溫升速率及其來臨時刻隨甲烷體積 分數(shù)變化曲線Fig.8 Curves of the maximum temperature rise rate and its arrival time of complex flame with methane volume fraction
2.3 不同爆炸強度下火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>
火傳播速度是根據(jù)火焰前沿位置隨時間變化而獲得，其計算式為
v=(Lt2-Lt1)/(t2-t1)
(1)
式中，Lt1和Lt2分別為t1時刻和t2時刻的火焰前沿位置;t1和t2為時間。
圖9 3種強度沖擊波誘導煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 時間曲線Fig.9 Flame velocity-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖10 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 傳播距離曲線Fig.10 Flame velocity-position curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖9,10分別為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰速度-時間曲線和火焰速度-傳播距離曲線。由圖9,10可以看出，首先，在無煤粉時，體積分數(shù)為8.5%和9.5%的甲烷爆炸火焰在通過圓孔障礙物時出現(xiàn)了明顯的首次加速，在400 mm處的火焰速度分別為20.3 m/s和14.0 m/s，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值分別為117.4 m/s和89.9 m/s，說明本文中的障礙物對火焰波有明顯的激勵作用。此后，由于后半部分管道沒有可燃物補充和高速環(huán)境中空氣的黏性及管壁的摩擦作用，火焰速度急速衰減;之后由于管道末端封閉膜破裂新鮮空氣補充，火焰波在管壁約束作用下再次加速。對于體積分數(shù)為7.5%的甲烷爆炸火焰，在400 mm處的火焰速度僅為6.8 m/s，火焰穿過中間圓孔后很快熄滅，結(jié)合圖3，4可以看出，這是由于點火后產(chǎn)生的爆炸超壓低且沒有明顯負壓，說明沒有足夠的新鮮空氣補充，燃燒不能維持。
其次，當鋪設(shè)煤塵管道中鋪設(shè)3.2 g煤粉時，3種甲烷體積分數(shù)下400 mm處的火焰速度分別為21.2，14.5和7.1 m/s，進入鋪設(shè)煤塵管道的時間縮減至51.5，71.0和100.0 ms，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值突增至158.3，134.8和19.6 m/s。這是因為由于初始爆炸后，在火焰進入鋪設(shè)煤塵管道之前沉積煤塵就被沖擊波卷揚，煤塵粒子懸浮在圓孔周圍且在火焰面的高溫下熱解并釋放可燃性氣體，當火焰面到達圓孔時，可燃氣體被點燃形成甲烷/煤塵復合火焰。因此，初始爆炸威力越大，波前流速和火焰鋒面溫度更高，卷揚煤塵云的濃度和熱解程度也越高，導致復合火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤焖偬岣摺?/p>
最后，通過障礙物后復合火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線均呈波動上升特征，體現(xiàn)出煤塵顆粒不斷被卷揚且參與熱解燃燒。其中，9.5%甲烷時復合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動上升和加速上升2個階段，由于此時卷揚煤塵體積分數(shù)和火焰鋒面溫度高，較多煤粉快速熱解致使復合火焰?zhèn)鞑ズ芸斐霈F(xiàn)加速;8.5%甲烷時由于卷揚煤塵體積分數(shù)和火焰鋒面溫度較低，復合火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈振蕩形態(tài)向前傳播;而7.5%甲烷時由于初始爆炸威力低，少量煤粉揚起后，火焰只是原地緩慢燃燒，并未引起加速。
2.4 不同爆炸強度下火焰結(jié)構(gòu)分析
圖11為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程。由圖11可以看出，在甲烷火焰進入煤塵鋪設(shè)管道前的早期階段，甲烷被點燃后火焰呈半球形向前傳播;對比圖3壓力曲線第1個小峰值，3種體積分數(shù)甲烷火焰破膜時間依次為30.4，40.0和59.3 ms;在中間薄膜破裂后，火焰呈指形繼續(xù)傳播。隨著甲烷體積分數(shù)降低，火焰突破薄膜后傳播至鋪設(shè)煤粉段的時間從52.5 ms推遲到72.0 ms和106.0 ms，不僅在時間上有所延遲，火焰的亮度也依次變暗。
圖11 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)圖像Fig.11 Flame structure of coal dust explosion induced by three kindy of shock waves
火焰進入鋪設(shè)煤塵管道后，引燃懸浮煤粉形成甲烷/煤塵復合火焰。可以看出，甲烷體積分數(shù)的不同所形成的火焰結(jié)構(gòu)大有差異。其中甲烷體積分數(shù)為9.5%時，復合火焰在54.5 ms形成“倒鉤形火焰”，鉤形結(jié)構(gòu)在下端。“倒鉤形火焰”的形成原因應(yīng)是煤粉沉降和燃燒產(chǎn)生膨脹拉伸效應(yīng)共同造成的，使得火焰在傳播時不斷卷揚更多的煤塵;此后火焰寬度逐漸增加且明亮，并在56.5 ms時接觸管道上壁面，形成“郁金香”結(jié)構(gòu)，2 ms后火焰快速傳播至管道出口。甲烷體積分數(shù)為8.5%時，復合火焰亮度有所降低，且火焰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)傳播，直至傳播到80 ms時才出現(xiàn)連續(xù)的火焰結(jié)構(gòu)。結(jié)合2.2和2.3節(jié)火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，體積分數(shù)為8.5%的甲烷爆炸后產(chǎn)生的火焰溫度和波前流速相對于9.5%時小，當火焰通過圓孔時不能產(chǎn)生高強度湍流，使得沉積煤塵卷吸形成的煤塵云濃度較低，最終導致懸浮煤粉熱解的速度和顆粒數(shù)都相對減少。而甲烷體積分數(shù)為7.5%時，復合火焰在傳播過程中基本呈“蛇形”，表明上部火焰溫度和速度高于下部，且火焰面積最小，說明此時甲烷火焰在通過障礙物時大部分能量被消耗，火焰鋒面溫度低，只有少許煤塵被揚起、熱解程度太低不足以維持火焰?zhèn)鞑ァ幕鹧鎴D片中可以明顯的觀察到，懸浮和沉積的煤塵只在原地燃燒，復合火焰并未向前傳播。
2.5 不同爆炸強度下流場湍流特征分析
為了研究不同強度沖擊波誘導沉積煤塵卷揚情況，本節(jié)采用PIV系統(tǒng)，以煤粉作為示蹤粒子，對不同爆炸強度誘導沉積煤塵爆炸瞬間流場的湍流特征進行了分析。PIV實驗系統(tǒng)如圖12所示。
圖12 PIV實驗系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic diagram of PIV experimental system
圖13為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸瞬間的煤塵粒子分布圖、速度場和渦量場。由圖13可以看出當甲烷體積分數(shù)為9.5%時，從煤塵分布來看，沖擊波將沉積煤塵卷揚形成煤塵云，大部分煤塵跟隨沖擊波向前流動，只有小部分煤塵粒子呈旋渦狀向斜上方流動，這說明體積分數(shù)為9.5%的甲烷爆炸產(chǎn)生的波前流速很高，致使煤粉隨沖擊波整體快速運動，煤粉分布范圍廣;而渦量圖粉紅色分布均勻，說明此時卷揚區(qū)整體湍流強度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進了懸浮煤粉的熱解與燃燒，致使火焰快速傳播。當甲烷的體積分數(shù)為8.5%時，從煤塵分布來看，沖擊波卷揚的煤塵一部分隨沖擊波向管道前方流動，但煤塵分布范圍較少，另小部分呈旋渦狀向斜后方下降，說明由于沖擊波強度較低，只有一部分煤塵跟隨粒子沖擊波快速流動;渦量場可以看出僅僅在揚起煤塵周圍湍流較強，說明部分煤塵粒子在火焰浮力作用下上升揚起，因管壁約束又向后方下降，滯留在火焰后方，因此不能支持火焰快速傳播。
當甲烷的體積分數(shù)為7.5%時，從煤塵分布來看，大部分煤塵粒子被揚起后呈旋渦狀原地流動，僅一小部分粒子在管壁約束下向前方短暫運動，但之后因重力作用下沉;渦量場可以看出僅僅在揚起煤塵處湍流較強，說明當初始爆炸強度很低時，因波前流速很低，不足以支撐足夠的沉積煤塵揚起形成煤塵云，因此大部分煤粉沒有參與火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
綜上，可以得出較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復合火焰不斷加速的原因。甲烷的體積分數(shù)接近當量比時，初始爆炸強度高，波前流速和火焰溫度增高，致使更多煤塵在更廣的區(qū)域內(nèi)預(yù)先卷揚并熱解，而卷揚區(qū)湍流強度整體較高則顯著加快了可燃性氣體和空氣的混合，為之后來臨的火焰前鋒不斷提供燃料，導致復合火焰持續(xù)加速。由此可以得到甲烷/煤塵爆炸復合火焰的加速模式，如圖14所示。
圖13 3種強度沖擊波誘導煤塵爆炸瞬間速度場和 渦量場Fig.13 Velocity and vorticity fields of coal dust explosion moment induced by three kindy of shock waves
圖14 甲烷/煤塵爆炸復合火焰加速模式Fig.14 Methane/coal dust explosion combined flame acceleration mode
3 結(jié) 論
(1)在3種工況下，隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比，復合體系爆炸超壓和壓力上升速率顯著增高，壓力峰值來臨時間減小，且當甲烷體積分數(shù)超過8.5%后壓力曲線和壓升速率曲線出現(xiàn)明顯振蕩特征。
(2)在3種工況下，隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比，波前流速、火焰鋒面溫度及其溫升速率越高，有利于更多煤塵被卷揚和快速熱解，支持了強爆炸的傳播。
(3)瓦斯爆炸誘導沉積煤塵爆炸復合火焰火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線具有波動上升特征，當9.5%甲烷時復合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動上升和加速上升2個階段。
(4)甲烷體積分數(shù)為9.5%和8.5%時，復合火焰呈“倒鉤形”，之后很快出現(xiàn)了火焰加速;而甲烷體積分數(shù)降至8.5%時，復合火焰亮度降低，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)特點;甲烷體積分數(shù)降至7.5%時，由于爆炸產(chǎn)生的沖擊波和湍流強度很小，復合火焰只在原地燃燒，不能維持傳播。
(5)甲烷體積分數(shù)為9.5%時，初始爆炸強度高，煤粉可隨沖擊波整體快速運動，煤粉分布范圍廣,且卷揚區(qū)整體湍流強度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進了卷揚煤粉的燃燒。
(6)較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復合火焰不斷加速的原因。
裴 蓓，張子陽，潘榮錕，余明高，陳立偉，溫小萍
(1.河南理工大學 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003; 2.重慶大學 煤礦災(zāi)害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044)
瓦斯爆炸是影響煤礦安全生產(chǎn)的“頭號殺手”。煤礦中重大爆炸事故往往是由瓦斯、煤塵共同參與爆炸引起的，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過程中不斷卷吸巷道四周沉積煤塵，形成分布不均勻的可燃性粉塵云，隨之受到高溫火焰面引燃，以不間斷爆炸的形式傳播[1]，導致瓦斯/煤塵爆炸具有更高破壞性。
近年來，國內(nèi)外學者對瓦斯/煤塵爆炸特性及其影響因素展開了實驗與數(shù)值模擬研究。司榮軍[2]、李慶釗[3]、屈姣[4]、李潤之[5]、HUéSCAR MEDINA[6]、ZHAO Peng[7]、湯其建[8]、王博[9]、王育德[10]、王洪雨[11]、宮廣東[12]、畢明樹[13]等研究了甲烷含量、揮發(fā)分、煤塵粒度、分散度、質(zhì)量濃度等對不同揮發(fā)分煤塵爆炸濃度下限、爆炸壓力、點火能等影響，指出甲烷的存在使甲烷/煤塵混合物點火的下限降低，最大壓力上升速率增大，爆炸持續(xù)時間明顯縮短;煤塵爆炸下限隨揮發(fā)分增大而減小;點火下限隨點火能量的增加而降低，隨煤塵揮發(fā)分的減小而上升，隨煤塵粒度的減小而降低;煤塵粒徑越小，分散度越大，爆炸下限降低且爆炸壓力升高。陳東梁等[14-15]研究了燃料組分構(gòu)成、煤塵粒徑和煤塵種類對甲烷/煤塵復合體系燃燒反應(yīng)特性和火焰結(jié)構(gòu)的影響。LIU等[16]研究表明:煤塵和甲烷共存顯著提高了火焰的傳播速度和最大火焰溫度，大大高于單一煤塵火焰的傳播速度和最大火焰溫度。陸守香等[17]研究發(fā)現(xiàn)氣粉復合火焰是由氣體火焰、粉塵火焰和反向傳播的粉塵火焰構(gòu)成瞬態(tài)的三波陣面結(jié)構(gòu)。
董呈杰[18]采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對管道內(nèi)的甲烷氣相爆炸和甲烷/煤塵混合爆炸過程進行了研究。CAO等[19-20]通過實驗和數(shù)值模擬研究了半封閉垂直燃燒管中煤塵爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑バ袨楹蜔彷椛湫?yīng)，結(jié)果表明:隨著管長的增加，火焰的最高傳播速度和最大火焰溫度均逐漸增加。李海濤等[21]構(gòu)建了豎直管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混擴散及爆炸物理數(shù)學模型，對管道內(nèi)甲烷/煤塵的擴散特征和爆炸過程進行了數(shù)值模擬，分析了管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混湍流特征及爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程。
沖擊波誘導煤塵爆炸方面，HOUIM等[22]研究了鋪設(shè)煤塵層稀薄致度密對爆炸結(jié)構(gòu)與火焰速度的影響。結(jié)果表明:松散的煤塵層比致密層更危險，沖擊波和火焰波更強烈地耦合于松散的煤塵層，以更高的速度傳播，并產(chǎn)生大的過壓和脈沖。朱傳杰、林柏泉等[23-24]研究了沉積粉塵密度、波前流速、粉塵粒徑等對揚塵特征的影響，分析了不同位置處的最大爆炸壓力和火焰出現(xiàn)時間，探討了氣流與沉積煤塵床相互作用的氣體動力學機理及其誘導的化學反應(yīng)歷程。劉丹[25]、李潤之[26-28]、胡雙啟[29]、尉存娟等[30]分析了瓦斯爆炸引起沉積煤塵卷揚爆炸的機理，并研究了煤塵上揚的原因和爆炸壓力的變化規(guī)律。SONG等[31-32]為了研究局部瓦斯爆炸誘發(fā)積灰燃燒的規(guī)律，對粉塵噴射和參與瓦斯爆炸過程進行了數(shù)值模擬。
綜上所述，現(xiàn)有研究主要圍繞瓦斯/煤塵共存時爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊缺ㄌ匦哉归_。由于煤礦瓦斯/煤塵爆炸火焰是一個由沖擊波引導的煤塵云火焰形成的復合體，沖擊波強度對沉積煤塵的卷吸效果有重要影響，而目前對復合沖擊火焰的形成與火焰加速方面的研究較少。為此，有必要進一步研究不同爆炸強度下的煤塵卷吸特征，以揭示其對瓦斯/煤塵爆炸火焰加速的影響。
故此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，搭建了沖擊波誘導沉積煤塵爆炸實驗平臺，以褐煤煤粉為研究對象，分析沖擊波作用下煤塵云的卷吸特征，研究不同爆炸強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及影響因素，探討復合火焰的加速機理。
1 實驗裝置及工況
1.1 實驗裝置介紹
實驗平臺由方形透明有機玻璃管道、配氣系統(tǒng)、高壓點火系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)、高速粒子成像測速系統(tǒng)、同步控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。爆炸管道由兩根分別為150 mm×150 mm×400 mm的充氣管道和150 mm×150 mm×1 000 mm的煤塵鋪設(shè)管道連接組成，管道一端固定封閉另一端活動封閉，兩根管道中間安裝一尺寸為150 mm×150 mm×2 mm的方形鋼板，中心位置有一直徑為100 mm的圓孔，實驗時用PVC薄膜對中間連接鋼板處和管道末端進行密封。相比于其他形狀的孔型，圓孔對火焰產(chǎn)生的影響最低[33]，也可避免因破膜位置不同造成較大差異的卷揚效果。
配氣系統(tǒng)由2個Alicat質(zhì)量流量控制器(MFC)組成，用于控制甲烷、空氣的流速并輸送到充氣管道中。高壓點火系統(tǒng)由 HEI19系列高能點火器、點火電極組成，點火電壓為 6 kV。壓力和火焰溫度采集由USB-1608FS Plus型數(shù)據(jù)采集卡、MD-HF型高頻壓力傳感器和自制R型微細熱電偶組成，壓力傳感器的量程為-0.1～0.1 MPa，綜合精度為0.25%。高速攝像圖像采集系統(tǒng)由Speed Sense VEO 710型高速攝像機、圖像控制器和圖像處理系統(tǒng)組成，最大分辨率為1 280像素×800像素，拍攝速度為2 000 fps。
圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system diagram
1.2 實驗工況與方法
實驗選用褐煤煤粉為研究對象，煤樣詳細工業(yè)分析見表1。甲烷的體積分數(shù)分別為7.5%，8.5%和9.5%。實驗前，在鋪設(shè)煤塵管段底部均勻鋪設(shè)煤塵層，其鋪粉位置離圓孔處200 mm，鋪設(shè)長度為300 mm，鋪粉量為3.2 g。實驗前，用薄膜將管道密封后，采用4倍體積排氣法向充氣管段充入CH4/Air預(yù)混氣[34]，6 min后關(guān)閉進氣和排氣閥門并靜置15 s后點火。同步控制器和高速攝像機處于等待觸發(fā)狀態(tài)，當點火裝置啟動后，同步開啟高速攝像機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個測試至少重復3次，以確保重復性。
表1 煤塵工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industry analysis results of coal dust %
1.3 煤粉的形狀特征與粒徑分布
實驗選用經(jīng)300目標準篩篩分的樣品，分別采用NHT5200型激光粒度分析儀和FEI-FEG250場發(fā)射掃描電鏡測量了實際褐煤煤樣的粒徑分布情況和SEM圖像，如圖2所示。從圖2中可以看出煤粉的微觀形狀為標準的塊狀，其平均特征直徑D50為20.75 μm，表明煤塵的分散性良好。在每個實驗開始前，將煤粉粉塵儲存在25 ℃的干燥器中24 h，以消除水分。
圖2 褐煤煤粉的粒徑分布及SEM圖像Fig.2 Particle size distribution and SEM image of lignite dust
2 實驗結(jié)果討論
2.1 不同爆炸強度下壓力分析
圖3為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓力-時間曲線。由圖3可以看出，甲烷被引爆后沖破管道中間的PVC薄膜，爆炸壓力曲線出現(xiàn)了第1個小峰值;之后由于沖擊波將煤塵揚起能量損耗和加熱煤塵，致使壓力下降;當有足夠的煤塵熱解揮發(fā)后，甲烷/煤塵復合體系的爆炸超壓驟升，由于出口端PVC薄膜破裂泄壓，達到壓力平衡后出現(xiàn)壓力最大值;此后由于負壓作用，火焰沖出管道后負壓回吸新鮮空氣，繼續(xù)卷揚剩余的煤粉燃燒，如此反復，致使壓力曲線出現(xiàn)了衰減性振蕩。結(jié)合圖4中3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓升速率-時間曲線可以看出，壓升速率曲線也呈振蕩態(tài)勢，且最大壓力上升速率出現(xiàn)在第2個燃燒波，說明對于氣粉兩相爆炸體系，爆炸泄壓后因新鮮空氣回吸且管道內(nèi)留存較多煤粉，后續(xù)還可發(fā)生多次爆炸。為了利用PIV獲得清晰的煤塵粒子分布圖像，煤粉鋪粉量僅為3.2 g，如果鋪粉量增加，強爆炸時將會形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云，二次爆炸超壓則有可能超過首次爆炸。該現(xiàn)象值得今后在瓦斯/煤塵爆炸等氣粉兩相爆炸事故預(yù)防中注意。
圖3 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓力-時間曲線Fig.3 Pressure-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖4 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸壓升速率- 時間曲線Fig.4 Pressure rise rate-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
另一方面，爆炸沖擊波對沉積煤塵的卷揚效果主要由波前氣體流速控制[23]。然而，通常波前流速的測量在實驗條件下很難獲得。筆者主要通過控制甲烷體積分數(shù)獲得不同的初始爆炸強度，沖擊波進入鋪粉管段后可產(chǎn)生不同水平的波前流速。結(jié)合圖3，4，當甲烷體積分數(shù)為7.5%時，壓力曲線只有1個破膜峰值，且峰值來臨時間顯著延遲，這是由于波前流速過低，火焰?zhèn)鞑サ戒伔酃芏螘r僅有很少量煤塵被輕微揚起，致使煤粉熱解產(chǎn)生的可燃揮發(fā)性氣體不足，甚至消耗了沖擊波能量，火焰?zhèn)鞑t不能繼續(xù)。然而，當甲烷的體積分數(shù)為9.5%時，爆炸超壓峰值增至32.9 kPa，是甲烷體積分數(shù)為8.5%時的2.3倍，最大峰值來臨時刻提前了76.7%;壓升速率峰值為7.1 kPa/ms，是甲烷體積分數(shù)為8.5%時的2.7倍?？梢姡?種工況下當甲烷的體積分數(shù)接近當量比時，波前流速越大，越有利于更多煤塵被卷揚，形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云參與熱解，導致強爆炸產(chǎn)生。
2.2 不同爆炸強度下火焰溫度分析
圖5，6分別為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰溫度-時間曲線和火焰溫度峰值及來臨時刻隨沖擊波強度變化曲線。由圖5,6可以看出，火焰溫度曲線出現(xiàn)驟升現(xiàn)象;在3種工況下，最大火焰溫度隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比線性上升，分別為699，922和1 219 ℃，而火焰溫度峰值來臨時刻則線性下降，且結(jié)合圖4火焰溫度峰值來臨時刻與爆炸超壓峰值來臨時刻保持一致，說明當甲烷的體積分數(shù)接近當量比時，煤粉燃燒產(chǎn)生的熱量遠大于煤粉熱解需要的熱量，導致火焰溫度急劇升高，支持了強爆炸的傳播。
圖5 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰溫度- 時間曲線Fig.5 Temperature-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖6 火焰溫度峰值及來臨時刻隨沖擊波強度變化曲線Fig.6 Curves of temperature peak and its arrival time with shock waves intensity
利用Savitzky-Golay方法[35]對爆炸溫度的演化進行了過濾與計算，得到了3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸溫升速率-時間變化曲線，如圖7所示。可以看出:甲烷體積分數(shù)對復合火焰溫升速率有重要影響。最明顯影響是在溫升速率的半峰時間寬度上，體積分數(shù)為9.5%甲烷誘導煤塵爆炸火焰溫升速率曲線的半峰時間寬度分別是8.5%和7.5%時的22.4%和56.7%，說明隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比，初始爆炸強度增加，有更多的煤粉參與到爆炸的過程中，從而導致煤塵的燃燒速度加快。圖8為復合火焰最大溫升速率及其來臨時刻隨甲烷體積分數(shù)變化曲線。可以看出，3種工況下最大溫升速率隨著甲烷體積分數(shù)的增加而增加，且在8.5%～9.5%增長更顯著;而溫升速率峰值來臨時間隨著甲烷體積分數(shù)的增加線性降低，也說明了當甲烷體積分數(shù)接近當量比時，更多的煤塵熱解促使火焰溫度快速上升。
圖7 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰溫升速率- 時間曲線Fig.7 Temperature rise rate-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖8 復合火焰最大溫升速率及其來臨時刻隨甲烷體積 分數(shù)變化曲線Fig.8 Curves of the maximum temperature rise rate and its arrival time of complex flame with methane volume fraction
2.3 不同爆炸強度下火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>
火傳播速度是根據(jù)火焰前沿位置隨時間變化而獲得，其計算式為
v=(Lt2-Lt1)/(t2-t1)
(1)
式中，Lt1和Lt2分別為t1時刻和t2時刻的火焰前沿位置;t1和t2為時間。
圖9 3種強度沖擊波誘導煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 時間曲線Fig.9 Flame velocity-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖10 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 傳播距離曲線Fig.10 Flame velocity-position curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖9,10分別為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰速度-時間曲線和火焰速度-傳播距離曲線。由圖9,10可以看出，首先，在無煤粉時，體積分數(shù)為8.5%和9.5%的甲烷爆炸火焰在通過圓孔障礙物時出現(xiàn)了明顯的首次加速，在400 mm處的火焰速度分別為20.3 m/s和14.0 m/s，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值分別為117.4 m/s和89.9 m/s，說明本文中的障礙物對火焰波有明顯的激勵作用。此后，由于后半部分管道沒有可燃物補充和高速環(huán)境中空氣的黏性及管壁的摩擦作用，火焰速度急速衰減;之后由于管道末端封閉膜破裂新鮮空氣補充，火焰波在管壁約束作用下再次加速。對于體積分數(shù)為7.5%的甲烷爆炸火焰，在400 mm處的火焰速度僅為6.8 m/s，火焰穿過中間圓孔后很快熄滅，結(jié)合圖3，4可以看出，這是由于點火后產(chǎn)生的爆炸超壓低且沒有明顯負壓，說明沒有足夠的新鮮空氣補充，燃燒不能維持。
其次，當鋪設(shè)煤塵管道中鋪設(shè)3.2 g煤粉時，3種甲烷體積分數(shù)下400 mm處的火焰速度分別為21.2，14.5和7.1 m/s，進入鋪設(shè)煤塵管道的時間縮減至51.5，71.0和100.0 ms，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值突增至158.3，134.8和19.6 m/s。這是因為由于初始爆炸后，在火焰進入鋪設(shè)煤塵管道之前沉積煤塵就被沖擊波卷揚，煤塵粒子懸浮在圓孔周圍且在火焰面的高溫下熱解并釋放可燃性氣體，當火焰面到達圓孔時，可燃氣體被點燃形成甲烷/煤塵復合火焰。因此，初始爆炸威力越大，波前流速和火焰鋒面溫度更高，卷揚煤塵云的濃度和熱解程度也越高，導致復合火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤焖偬岣摺?/p>
最后，通過障礙物后復合火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線均呈波動上升特征，體現(xiàn)出煤塵顆粒不斷被卷揚且參與熱解燃燒。其中，9.5%甲烷時復合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動上升和加速上升2個階段，由于此時卷揚煤塵體積分數(shù)和火焰鋒面溫度高，較多煤粉快速熱解致使復合火焰?zhèn)鞑ズ芸斐霈F(xiàn)加速;8.5%甲烷時由于卷揚煤塵體積分數(shù)和火焰鋒面溫度較低，復合火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈振蕩形態(tài)向前傳播;而7.5%甲烷時由于初始爆炸威力低，少量煤粉揚起后，火焰只是原地緩慢燃燒，并未引起加速。
2.4 不同爆炸強度下火焰結(jié)構(gòu)分析
圖11為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程。由圖11可以看出，在甲烷火焰進入煤塵鋪設(shè)管道前的早期階段，甲烷被點燃后火焰呈半球形向前傳播;對比圖3壓力曲線第1個小峰值，3種體積分數(shù)甲烷火焰破膜時間依次為30.4，40.0和59.3 ms;在中間薄膜破裂后，火焰呈指形繼續(xù)傳播。隨著甲烷體積分數(shù)降低，火焰突破薄膜后傳播至鋪設(shè)煤粉段的時間從52.5 ms推遲到72.0 ms和106.0 ms，不僅在時間上有所延遲，火焰的亮度也依次變暗。
圖11 3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)圖像Fig.11 Flame structure of coal dust explosion induced by three kindy of shock waves
火焰進入鋪設(shè)煤塵管道后，引燃懸浮煤粉形成甲烷/煤塵復合火焰。可以看出，甲烷體積分數(shù)的不同所形成的火焰結(jié)構(gòu)大有差異。其中甲烷體積分數(shù)為9.5%時，復合火焰在54.5 ms形成“倒鉤形火焰”，鉤形結(jié)構(gòu)在下端。“倒鉤形火焰”的形成原因應(yīng)是煤粉沉降和燃燒產(chǎn)生膨脹拉伸效應(yīng)共同造成的，使得火焰在傳播時不斷卷揚更多的煤塵;此后火焰寬度逐漸增加且明亮，并在56.5 ms時接觸管道上壁面，形成“郁金香”結(jié)構(gòu)，2 ms后火焰快速傳播至管道出口。甲烷體積分數(shù)為8.5%時，復合火焰亮度有所降低，且火焰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)傳播，直至傳播到80 ms時才出現(xiàn)連續(xù)的火焰結(jié)構(gòu)。結(jié)合2.2和2.3節(jié)火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，體積分數(shù)為8.5%的甲烷爆炸后產(chǎn)生的火焰溫度和波前流速相對于9.5%時小，當火焰通過圓孔時不能產(chǎn)生高強度湍流，使得沉積煤塵卷吸形成的煤塵云濃度較低，最終導致懸浮煤粉熱解的速度和顆粒數(shù)都相對減少。而甲烷體積分數(shù)為7.5%時，復合火焰在傳播過程中基本呈“蛇形”，表明上部火焰溫度和速度高于下部，且火焰面積最小，說明此時甲烷火焰在通過障礙物時大部分能量被消耗，火焰鋒面溫度低，只有少許煤塵被揚起、熱解程度太低不足以維持火焰?zhèn)鞑ァ幕鹧鎴D片中可以明顯的觀察到，懸浮和沉積的煤塵只在原地燃燒，復合火焰并未向前傳播。
2.5 不同爆炸強度下流場湍流特征分析
為了研究不同強度沖擊波誘導沉積煤塵卷揚情況，本節(jié)采用PIV系統(tǒng)，以煤粉作為示蹤粒子，對不同爆炸強度誘導沉積煤塵爆炸瞬間流場的湍流特征進行了分析。PIV實驗系統(tǒng)如圖12所示。
圖12 PIV實驗系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic diagram of PIV experimental system
圖13為3種強度沖擊波誘導沉積煤塵爆炸瞬間的煤塵粒子分布圖、速度場和渦量場。由圖13可以看出當甲烷體積分數(shù)為9.5%時，從煤塵分布來看，沖擊波將沉積煤塵卷揚形成煤塵云，大部分煤塵跟隨沖擊波向前流動，只有小部分煤塵粒子呈旋渦狀向斜上方流動，這說明體積分數(shù)為9.5%的甲烷爆炸產(chǎn)生的波前流速很高，致使煤粉隨沖擊波整體快速運動，煤粉分布范圍廣;而渦量圖粉紅色分布均勻，說明此時卷揚區(qū)整體湍流強度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進了懸浮煤粉的熱解與燃燒，致使火焰快速傳播。當甲烷的體積分數(shù)為8.5%時，從煤塵分布來看，沖擊波卷揚的煤塵一部分隨沖擊波向管道前方流動，但煤塵分布范圍較少，另小部分呈旋渦狀向斜后方下降，說明由于沖擊波強度較低，只有一部分煤塵跟隨粒子沖擊波快速流動;渦量場可以看出僅僅在揚起煤塵周圍湍流較強，說明部分煤塵粒子在火焰浮力作用下上升揚起，因管壁約束又向后方下降，滯留在火焰后方，因此不能支持火焰快速傳播。
當甲烷的體積分數(shù)為7.5%時，從煤塵分布來看，大部分煤塵粒子被揚起后呈旋渦狀原地流動，僅一小部分粒子在管壁約束下向前方短暫運動，但之后因重力作用下沉;渦量場可以看出僅僅在揚起煤塵處湍流較強，說明當初始爆炸強度很低時，因波前流速很低，不足以支撐足夠的沉積煤塵揚起形成煤塵云，因此大部分煤粉沒有參與火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
綜上，可以得出較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復合火焰不斷加速的原因。甲烷的體積分數(shù)接近當量比時，初始爆炸強度高，波前流速和火焰溫度增高，致使更多煤塵在更廣的區(qū)域內(nèi)預(yù)先卷揚并熱解，而卷揚區(qū)湍流強度整體較高則顯著加快了可燃性氣體和空氣的混合，為之后來臨的火焰前鋒不斷提供燃料，導致復合火焰持續(xù)加速。由此可以得到甲烷/煤塵爆炸復合火焰的加速模式，如圖14所示。
圖13 3種強度沖擊波誘導煤塵爆炸瞬間速度場和 渦量場Fig.13 Velocity and vorticity fields of coal dust explosion moment induced by three kindy of shock waves
圖14 甲烷/煤塵爆炸復合火焰加速模式Fig.14 Methane/coal dust explosion combined flame acceleration mode
3 結(jié) 論
(1)在3種工況下，隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比，復合體系爆炸超壓和壓力上升速率顯著增高，壓力峰值來臨時間減小，且當甲烷體積分數(shù)超過8.5%后壓力曲線和壓升速率曲線出現(xiàn)明顯振蕩特征。
(2)在3種工況下，隨著甲烷體積分數(shù)接近當量比，波前流速、火焰鋒面溫度及其溫升速率越高，有利于更多煤塵被卷揚和快速熱解，支持了強爆炸的傳播。
(3)瓦斯爆炸誘導沉積煤塵爆炸復合火焰火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線具有波動上升特征，當9.5%甲烷時復合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動上升和加速上升2個階段。
(4)甲烷體積分數(shù)為9.5%和8.5%時，復合火焰呈“倒鉤形”，之后很快出現(xiàn)了火焰加速;而甲烷體積分數(shù)降至8.5%時，復合火焰亮度降低，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)特點;甲烷體積分數(shù)降至7.5%時，由于爆炸產(chǎn)生的沖擊波和湍流強度很小，復合火焰只在原地燃燒，不能維持傳播。
(5)甲烷體積分數(shù)為9.5%時，初始爆炸強度高，煤粉可隨沖擊波整體快速運動，煤粉分布范圍廣,且卷揚區(qū)整體湍流強度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進了卷揚煤粉的燃燒。
(6)較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復合火焰不斷加速的原因。
