王亞軍, 李 晗, 馬會煥

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

瓦斯爆炸事故是煤礦安全生產(chǎn)最嚴(yán)重的威脅,造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。從2010～2019年,瓦斯爆炸事故占全部瓦斯煤礦事故的62%,占較大事故的67%,十年間共發(fā)生事故272起,死亡1 952人[1]。不過,近四年來,得益于安全措施和技術(shù)的改進(jìn),瓦斯爆炸事故明顯減少。據(jù)國家煤礦安監(jiān)局統(tǒng)計,從2020年到2023年,全國僅發(fā)生瓦斯爆炸事故37起,死亡189人,分別比前十年減少86%和90%。事故發(fā)生率的減少意味爆炸防護(hù)的高標(biāo)準(zhǔn)與嚴(yán)要求,隨著對于人員安全重視度的增加,了解瓦斯爆炸規(guī)律對更好地防控瓦斯爆炸對于人員的傷害規(guī)避與爆炸檢測具有重要意義。由此,文中使用實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合數(shù)值模擬的方法,對瓦斯爆炸火焰波在突縮管道中的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者對突變截面條件下對瓦斯爆炸火焰與沖擊波影響做了研究。張新民等[2]使用管道突縮研究火焰速度,得出突縮會誘導(dǎo)生成湍流,使火焰出現(xiàn)先加速再降速再加速的過程。陳祥等[3-4]通過設(shè)置小尺寸腔體模型與小型管道,對全管道填充甲烷預(yù)混氣體,得到小尺寸突縮管道爆炸特性與DDT距離。Zhang等[5]利用透明玻璃管道,設(shè)置不同起爆距離研究火焰形態(tài)變化。Wu等[6]研究了突擴(kuò)管道對沖擊波與火焰的影響。Xiao等[7-9]研究了爆炸障礙物對火焰爆炸傳播規(guī)律。沈子鶴等[10]使用Fluent模擬研究小尺寸壓力腔爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。溫小萍等[11-13]使用玻璃夾板內(nèi)填充瓦斯燃燒的型式觀察火焰結(jié)構(gòu)動態(tài)演變形態(tài)并結(jié)合阻礙物對爆炸渦流與形態(tài)進(jìn)行研究。Sun等[14]使用同直徑變尺寸管道壓力腔爆炸研究火焰與沖擊波壓力變化。林柏泉等[15-17]通過改變變截面積與設(shè)置加速環(huán)研究湍流的誘導(dǎo)以及對爆炸火焰?zhèn)鞑サ淖饔谩?/p>

以上研究表明,火焰在傳播過程中會受到傳播管道形態(tài)、管徑、障礙物等的影響,管道突縮因?yàn)槌叽缧?yīng)會誘導(dǎo)湍流形成,阻塞火焰從而導(dǎo)致火焰速度、形態(tài)發(fā)生變化;起爆距離會影響火焰形態(tài)和傳播溫度、距離,擴(kuò)散管網(wǎng)充滿可燃性氣體會使火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)呈現(xiàn)指型火焰鋒面的穩(wěn)態(tài)過程。在截面突縮導(dǎo)致火焰形態(tài)變化研究中,當(dāng)爆炸強(qiáng)度較大情況下瓦斯火焰形態(tài)變化規(guī)律有待進(jìn)一步探究。筆者結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法,研究高強(qiáng)度氣體爆炸火焰在突然收縮的管道中的傳播以期為預(yù)防和控制氣體爆炸危害和傷害提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 數(shù)學(xué)模型

文中通過Naviser-Stokes方程組進(jìn)行Reynolds平均,采用k-ε-湍流模型[18],該模型在流體計算中對渦流、渦流分離、二次流和強(qiáng)流線彎曲等方面表現(xiàn)良好,廣泛應(yīng)用于氣體爆炸模擬[19]。

動量守恒方程為

能量守恒方程為

組分平衡方程為

k方程為

ε方程為

式中:k——湍動能;

ε——湍流耗散率;

μe、μl、μt——有效、層流和湍流黏性系數(shù);

δij——Kronecker算子,其余參數(shù)為湍流模型常數(shù)。

爆炸模擬采用Methane-air 2step兩步反應(yīng)模型,其化學(xué)方程式為

CH4+O2→CO+H2O+Q1,

CO+O2→CO2+Q2。

1.2 網(wǎng)格劃分模擬模型

文中模擬采用Methane-air 2 step設(shè)置。管道分為爆炸腔和擴(kuò)散管網(wǎng)。為了更清晰地觀察火焰結(jié)構(gòu),網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 2 mm,如圖 1 所示。初始條件:預(yù)混爆炸腔中甲烷空氣混合物體積分?jǐn)?shù)為9.6%,擴(kuò)散管網(wǎng)為空氣,爆炸腔和擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)的初始壓力均為 101 kPa,初始溫度為 300 K,在爆炸腔左側(cè)點(diǎn)燃一個能量為 10 J 的火花,啟用能量方程,并應(yīng)用平面計算模型,假定管壁絕熱且不動。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由爆炸腔、點(diǎn)火裝置、擴(kuò)散管網(wǎng)、配氣系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成,爆炸腔與擴(kuò)散管網(wǎng)之間采用聚四氟乙烯膜進(jìn)行密封,配氣系統(tǒng)采用人工配氣,采集系統(tǒng)采用TST6300動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采樣頻率為100 kHz;火焰?zhèn)鞲衅鞑捎肅KG100光敏式火焰?zhèn)鞲衅?響應(yīng)時間小于100 μs。溫度傳感器采用C2傳感器,設(shè)置于T1、T2處,傳感器量程為0～2 500 ℃,傳感器響應(yīng)時間小于100 μs。瓦斯預(yù)混壓力腔體為長1 500 mm,直徑300 mm的圓柱形容器,爆炸腔內(nèi)設(shè)置點(diǎn)火源,點(diǎn)火能量為10 J,擴(kuò)散管網(wǎng)尺寸為直徑120 mm的圓形管道,每兩個實(shí)驗(yàn)傳感器在管道上間隔為750 mm,甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

第一步,使用圓形法蘭固定爆炸腔與擴(kuò)散管網(wǎng)處的聚四氟乙烯薄膜,封閉爆炸腔體。第二步,采用真空泵將爆炸腔體抽至負(fù)壓,檢查有無漏氣,并檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)情況是否正常,確保實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。第三步,對爆炸腔體進(jìn)行人工配氣,根據(jù)負(fù)壓與正壓差值將實(shí)驗(yàn)所需體積分?jǐn)?shù)的甲烷氣體填充入爆炸腔體。第四步,充氣完成后,靜置等待氣體充分混合,然后使用點(diǎn)火系統(tǒng)對火花塞充能。第五步,點(diǎn)火并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 模擬截面突縮火焰結(jié)構(gòu)

模擬過程如圖3～5所示。圖中顯示了不同時間步驟下的火焰結(jié)構(gòu)。該過程可分為4個階段。

階段1:點(diǎn)火和火焰形成。電火花點(diǎn)燃爆炸室內(nèi)的預(yù)混合氣體,形成點(diǎn)狀火焰。氣體燃燒產(chǎn)生高溫高壓,迅速點(diǎn)燃爆炸室內(nèi)的其余氣體。由于空間的封閉性,火焰接觸到爆炸室壁并形成漩渦狀?；鹧嬉绯龊突亓?。當(dāng)爆腔中的大部分氣體被點(diǎn)燃后,火焰開始溢出爆腔并向擴(kuò)散管網(wǎng)傳播。在高溫火焰區(qū)的前方會出現(xiàn)一個低溫火焰舌,如圖3所示。

階段2:低溫焰舌受湍流影響沿壁傳播。隨著燃燒反應(yīng)的加劇,爆炸室的溫度急劇上升。爆炸壓力將高溫火焰推出爆炸室,但隨后高速火焰渦流使火焰回流,降低了溫度,如圖4所示。

階段3:火焰穩(wěn)定和形成。爆炸穩(wěn)定后,高溫火焰區(qū)從爆炸室移動到擴(kuò)散管網(wǎng)。火焰前表面繼續(xù)在高溫火焰區(qū)前方傳播,如圖5所示。管道內(nèi)火焰的主要形狀為指狀。隨后,由于渦流的形成,火焰形狀變?yōu)橛艚鹣銧?然后又變回指狀。這一現(xiàn)象與周寧[20]的研究結(jié)果類似。

階段4:火焰結(jié)構(gòu)和傳播。從爆炸室到管道出口的火焰結(jié)構(gòu)由四部分組成:低溫火焰區(qū)、高溫區(qū)、焰體和前表面,如圖5所示。這與 Zhang[5]使用透明管道研究火焰形態(tài)的觀察結(jié)果一致?；鹧媲把厥紫缺憩F(xiàn)為淺色(低溫)火焰,然后是明亮(高溫)的火焰區(qū)域。

模擬結(jié)果表明,當(dāng)管道中充滿空氣時,腔體內(nèi)氣體的爆炸會導(dǎo)致火焰形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化,其原因是劇烈的壓縮?；鹧?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)出高溫的主體(2 000 K)和低溫前沿區(qū)域(300～1 700 K)的合并形式。低溫前區(qū)與火焰主體之間存在較大的距離差。

2.2 火焰出現(xiàn)時間與溫度對比的火焰?zhèn)鞑ミ^程

傳感器檢測到火焰時間與溫度間的關(guān)系,如圖6所示。當(dāng)F1檢測到火焰信號時,T1的溫度為20 ℃,如圖7所示。當(dāng)F2檢測到火焰時,F1的光感值達(dá)到頂峰,此時可說明火焰主體已經(jīng)到達(dá)F1的位置,且由于F2檢測到了火焰,說明有火焰經(jīng)過T1,到達(dá)了F2,此時T1的數(shù)值為222 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火焰應(yīng)該有的溫度,可判斷為此時經(jīng)過F2的火焰鋒面為低溫火焰鋒面,并且由F1光感讀數(shù)顯示的火焰主體位置,此時延伸弱火焰鋒面距離火焰主體相距1 500 mm,如圖7所示。

當(dāng)F3檢測到火焰時,F1的光感讀數(shù)變?nèi)?證明火焰主體已經(jīng)經(jīng)過F1,但T1溫度未達(dá)峰,且F2光感讀數(shù)處于高值,說明此時F1到F2之間存在高溫火焰區(qū)域橫向延伸情況,并且此時F3檢測到火焰,說明火焰前峰面已經(jīng)到達(dá)F3,如圖8所示。當(dāng)F1火焰主體離開傳感器時,F2與F3同時檢測到高光信號,且基本為同時離開,從傳感器數(shù)據(jù)推測,此時火焰主體應(yīng)為子彈型快速通過,同時伴隨長尾火焰,結(jié)合T1中溫度先升高再降低,可以得出,火焰主體過后的溫度會先升高再降低,如圖9所示。

通過以上分析,可以證明在火焰在管內(nèi)空氣區(qū)時傳播呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)狀,火焰分為火焰主體與火焰前峰面,在其之間可能存在連續(xù)的火焰連接面,火焰主體溫度高,火焰前峰面溫度低,且火焰前峰面和火焰主體存在一段距離。

2.3 擴(kuò)散管網(wǎng)空氣區(qū)域內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程

火焰?zhèn)鞲衅鱂是基于光敏式電阻傳感器,火焰主體作為高溫火焰的特征體現(xiàn)為明亮。由此,以F1高感光點(diǎn)時刻作為記錄火焰主體所在時間,由傳感器距離參數(shù)確定之間的距離關(guān)系。以圖5a中F1檢測到火焰時,時間為157 ms作為時間計算的起點(diǎn)。

第一階段,從157 ms到170 ms,火焰主體到達(dá)F1,且寬度較小,呈現(xiàn)壓縮狀態(tài),火焰前峰面到達(dá)F2,與火焰主體相距150 cm,如圖10a、b所示。第二階段,在170 ms到203 ms,由于F1與F2都檢測到高光信號,表明火焰主體在F1與F2之間,火焰主體的長度達(dá)到150 cm,形態(tài)拉伸,火焰前峰面距離火焰主體的距離縮短為75 cm,如圖10b、c所示。第三階段,傳感器F1、F2和F3都檢測到高光信號,且F1、F2和F3高光信號都將要消失,證明火焰主體通過速度極快,且由于拉伸,可以判斷為同時通過,其火焰主體形態(tài)應(yīng),如圖10d所示?；鹧嬷黧w加速,有火焰長尾,火焰?zhèn)鞑顟B(tài)從爆炸腔到管網(wǎng)火焰出口呈現(xiàn)低溫火焰區(qū)域、高溫區(qū)和火焰主體前峰面。

圖1 管道模擬網(wǎng)格劃分

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)局部示意

圖3 階段1點(diǎn)火和火焰形成

圖4 階段2低溫焰舌受湍流影響沿壁傳播

圖5 階段3和4焰穩(wěn)定火焰

圖6 157 ms火焰峰面到達(dá)F1

圖7 157 ms火焰峰面到達(dá)F2

圖9 240 ms火焰主體快速通過F1、F2、F3

圖10 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與速度示意

3 結(jié) 論

文中進(jìn)行了爆炸腔到管道的突縮變截面預(yù)混瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn),通過Fluent軟件模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,得到在變截面管網(wǎng)空氣區(qū)域中瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ男螒B(tài)變化規(guī)律。

(1)瓦斯爆炸火焰的形態(tài)呈現(xiàn)非穩(wěn)狀,在模擬火焰初期傳播過程中,由于渦流導(dǎo)致火焰低溫鋒面靠近管道壁面?zhèn)鞑ァ?/p>

(2)爆炸火焰在管內(nèi)空氣區(qū)遇到突縮管道時,火焰?zhèn)鞑ゴ嬖谌齻€階段。在157～170 ms,火焰?zhèn)鞑コ跗?有低溫火舌溢流到爆炸管網(wǎng),且由于渦流導(dǎo)致沿管道壁面?zhèn)鞑?隨著爆炸腔內(nèi)瓦斯燃燒加劇,火焰溫度會在短時間內(nèi)迅速上升,在此過程低溫火焰面會先于火焰高溫區(qū)域進(jìn)行傳播,且低溫火焰面速度極快,此時火焰高溫區(qū)域在低溫火焰面后行進(jìn),本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)低溫火焰面速度達(dá)到115.3 m/s,低溫火焰面距離高溫火焰區(qū)域距離為150 cm。在170～203 ms時,由于火焰高速運(yùn)動致使湍流加劇,火焰高溫區(qū)呈現(xiàn)拉伸形態(tài),在管道內(nèi)體現(xiàn)為橫向高溫火焰區(qū)域增加,低溫火焰面由于湍流減速,此時低溫火焰面速度為32.6 m/s,距離高溫火焰區(qū)75 cm。在203～204 ms時,火焰主體速度加快形成火焰長尾。

(3)變截面導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象,因此在實(shí)際工程中,應(yīng)注意前期低溫火焰鋒面與火焰主體的檢測,可利用雙火焰?zhèn)鞲衅鞔_定火焰面?zhèn)鞑ミ^程,在火焰?zhèn)鞑コ跗?可以使用安全防護(hù)設(shè)備以火焰主體為目標(biāo)抑制或切斷火焰?zhèn)鞑ァ?/p>