胡 洋，楊雨欣，吳秋遐

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤炭是支撐我國經(jīng)濟發(fā)展和科技進步的最穩(wěn)定能源，長期并且在未來也將位于我國能源結(jié)構(gòu)最主要的位置。井下開采是我國煤礦最主要的開采形式[1]，相較于地面作業(yè)，由于局限的開采技術(shù)、特殊復雜的環(huán)境條件和參差不齊的人員素質(zhì)，煤礦安全不容小覷，煤礦事故頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，在煤礦行業(yè)的安全事故死亡人數(shù)和事故數(shù)量中，頂板和瓦斯事故均占一半以上，其中，瓦斯事故以瓦斯爆炸事故最為常見[2]。煤礦井下瓦斯爆炸等安全事故不僅僅帶來生命財產(chǎn)損失，更會給經(jīng)濟社會發(fā)展造成負面影響，嚴重威脅人民安居樂業(yè)和社會穩(wěn)定。徐婷婷等[3]通過Fluent軟件模擬瓦斯-煤塵爆炸過程，得到壓力波、溫度的傳播云圖和不同粒徑的煤塵對爆炸壓力值的影響關(guān)系；余高明等[4]利用小尺寸爆炸實驗平臺，分析不同體積分數(shù)的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?得到瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、壓力最大的體積分數(shù)為9.5%；李潤之等[5]通過球型爆炸罐體裝置進行實驗得道瓦斯?jié)舛扰c最大爆炸壓力及最大壓力上升速率之間的關(guān)系。

綜上分析, 國內(nèi)學者對瓦斯爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了廣泛研究, 但在中尺度激波管道內(nèi)進行的瓦斯爆炸實驗研究相對較少,另外，現(xiàn)場模擬瓦斯爆炸事故不僅會消耗大量的財力物力，且有次數(shù)限制，因此，建立了一套國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的中尺度瓦斯爆炸激波管道實驗系統(tǒng)，用以對煤礦井下、化工車間等復雜環(huán)境下的燃燒、爆炸現(xiàn)象進行模擬，探究氣體、兩相爆炸和爆轟的傳播現(xiàn)象及流場內(nèi)部機理。

1 中尺度瓦斯爆炸激波管道系統(tǒng)

中尺度瓦斯爆炸激波管道實驗系統(tǒng)主要由爆炸激波管道、高壓點火系統(tǒng)、光譜測試系統(tǒng)、超高速紋影系統(tǒng)、時間同步控制系統(tǒng)、預混氣體配置與真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)示意圖

1.1 爆炸激波管道系統(tǒng)

自主搭建的中尺度爆炸激波管作為實驗系統(tǒng)的主體裝置，主要由爆轟管道、位于管道尾端的泄爆倉、支架和導軌組成。爆轟管整體采用多節(jié)拼裝，由法蘭盤連接，以便對其進行拆解和搬運，適應不同實驗的設(shè)計需求。激波管體的主體材料為A20碳鋼以及冷拔無縫矩形鋼管，每段長2500 mm，厚10 mm，內(nèi)截面為200 mm×200 mm正方形。

壓力和火焰?zhèn)鞲衅魑挥诰嚯x每節(jié)激波管250 mm和750 mm處的頂部和側(cè)面，安裝在尺寸為M20×1.5的孔座中。距試驗段端面為500 mm處設(shè)置一個150 mm半徑的圓形可視化窗口，高速攝影、激光紋影等技術(shù)可通過有機玻璃窗口檢測管道內(nèi)部火焰、激波流場的變化情況，如圖4所示。

圖2 激波管體示意圖

圖3 激波管道系統(tǒng)

圖4 爆炸激波管實驗段可視化窗口

1.2 光譜測試系統(tǒng)

光譜測試系統(tǒng)主要由瞬態(tài)光譜儀和ICCD相機組成。光譜儀主要可以分為色散光譜儀和調(diào)制光譜儀兩大類，其中色散光譜儀的主體是分光元件，依據(jù)分光元件不同可將色散光譜儀細分為：棱鏡光譜儀、衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀三種。本實驗系統(tǒng)配備型號為Shamrock750A的衍射光柵光譜儀，波長范圍200～1100 nm，分辨率2400條/mm。

為了實現(xiàn)ICCD相機和光譜儀能夠在特定波長條件下打開并進行暫態(tài)獲取的功能，在原光路出口增加一個30%折射率的半透半反鏡，既可以滿足慢速響應的需要，又能改善瞬態(tài)光譜測試系統(tǒng)的精確性，如圖5為增加半透半反鏡后的折射曲線。

圖5 半透半反折射曲線

光線經(jīng)過光纖進入光譜儀狹縫，經(jīng)過兩次反射到達光柵，由于波長不同，通過光柵折射后光線傳播方向也會發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)，從而形成一系列離散的狹縫像，進而在數(shù)據(jù)采集軟件上獲取所需的光譜圖像。光譜儀光路如圖6所示。

圖6 光譜儀內(nèi)部光路簡化圖

1.3 其他系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)配備高壓脈沖電源，電容器電容為0.02 μF，點火能量100 mJ，通過尖端放電的方式點燃預混氣體。

實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由東華數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DH8302)、壓力信號測量系統(tǒng)和火焰信號測試系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持16通道采集、采樣頻率1 MHz。本系統(tǒng)采用ICP型高頻響壓電傳感器，靈敏度為0.145 mV/kPa，采樣頻率為1 MHz；火焰?zhèn)鞲衅?GT101)的核心部件為硅PIN光電二極管，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)得到測量的實驗數(shù)據(jù)[4]。

激光紋影系統(tǒng)采用激光技術(shù)作為主要光源，利用紋影成像技術(shù)[5]探究不同因素對流場內(nèi)部的影響。由于平行光通過存在密度梯度的非均質(zhì)流場時會發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)，因此從垂直于平行光線的方向可以得到相應的紋影圖像，來反映流場內(nèi)部的密度梯度分布[6]。激光紋影系統(tǒng)主要包括激光器、凹球反射鏡、平面鏡、濾光片、刀口及升降平臺等光學元件[7，8]，將元件進行排列組合可以滿足不同實驗工況需求。通常配備凹球反射鏡的紋影系統(tǒng)會采用“Z”型光路設(shè)置[9]，這種布局相比于“M”型和“直線”型來說，成像不會受到光線自身產(chǎn)生的影響[10]。

同步控制系統(tǒng)連接了多通道同步控制器，實現(xiàn)同一信號控制高壓點火、噴射惰性氣體及數(shù)據(jù)采集[11，12]。

預混氣體配置及真空系統(tǒng)由配氣系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)主要由旋片泵和羅茨泵組成，其中旋片泵抽速為90 m3/h，極限真空度0.7 Pa、羅茨泵抽氣速度為500 m3/h，極限真空度0.4 Pa；預混氣體配置系統(tǒng)利用管道外預混的原理進行不同濃度的其他配置。

2 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

向中尺度爆炸激波管道充入9.5%的甲烷-空氣的預混氣體，在前六段和實驗段進行瓦斯爆炸實驗的初步調(diào)試，得到初步調(diào)試數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖7為1-8號壓力傳感器的信號強度變化圖像，分析圖像可以得到，瓦斯在爆轟管道內(nèi)發(fā)生爆炸產(chǎn)生的沖擊波到達管道內(nèi)壁后產(chǎn)生多次反射，造成管內(nèi)壓力持續(xù)震蕩。在密閉的實驗管道內(nèi)，火焰熱輻射作用形成的壓縮波緊隨前驅(qū)沖擊波之后，在傳播到達管道尾端后，經(jīng)過尾端盲板的反射反向傳播，從而形成一種可歸屬為壓縮波的反射波，引發(fā)壓力傳感器的信號改變。

圖7 各傳感器壓力信號

圖8為1-8號火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘枏姸茸兓瘓D像，分析圖8可以得出，在瓦斯爆炸的前期，火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^慢，火焰陣面經(jīng)過火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r間間隔較長，造成位于管道前端的1-3號火焰?zhèn)鞲衅髦g接受火焰信號(即火焰陣面到達火焰?zhèn)鞲衅?存在較大的時間差?；鹧媸艿綌_動的影響產(chǎn)生湍流效應，致使位于管道中部的3-5號傳感器之間的時間差越來越短，即火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。隨著瓦斯爆炸反應進行到后期，火焰在經(jīng)過5號火焰?zhèn)鞲衅骱螅?-8號傳感器之間時間差逐漸增大，這是因為管道內(nèi)反應物減少，產(chǎn)生的能量不足以支撐反應繼續(xù)進行，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢。也就是說，在整個實驗過程中火焰?zhèn)鞑ニ俾氏仍龃蠛鬁p小。

圖8 各傳感器火焰信號

圖9為實驗過程中得到的激光紋影圖像，可見當火焰第一次到達觀察窗口時，火焰呈現(xiàn)明顯的指尖狀，這是因為火焰陣面受到軸向的拉伸作用，中部速度大于兩側(cè)速度。當激波穿過已燃氣體經(jīng)過火焰陣面到達未燃氣體，火焰陣面與反射波之間發(fā)生相互作用，火焰產(chǎn)生不明顯的回流現(xiàn)象。激波與火焰相遇后，由于火焰陣面前后的氣體存在密度梯度，火焰發(fā)生失穩(wěn)，對未發(fā)生反應的氣體產(chǎn)生卷吸效應，火焰?zhèn)鞑ゼ铀佟?/p>

圖9 激光紋影圖像

3 結(jié)論

(1) 本系統(tǒng)可以滿足不同工況的實驗需求，在觀測氣體、兩相爆炸和爆轟的傳播及其機理方面，得到的實驗數(shù)據(jù)較為可靠。

(2) 測量瓦斯爆炸的壓力及火焰?zhèn)鞑?shù)據(jù)，可以幫助我們從宏觀和微觀角度充分認識氣體的爆炸過程，有助于充分研究燃燒和爆炸現(xiàn)象，為減少災害發(fā)生提供更充分的理論支撐。