障礙物與管道壁面間距比對瓦斯爆炸傳播特性的影響*

余明高，劉 磊，鄭 凱，蘇 洋，滕 飛，劉 洋

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點試驗室，重慶 400044)

0 引言

瓦斯爆炸是煤礦災害最嚴重的事故之一，一旦發生往往會造成大量人員傷亡和巨大經濟損失[1]。為了減少瓦斯爆炸事故帶來的經濟損失，瓦斯燃燒機理和傳播特性一直是國內外學者研究的熱點。張英浩、鄧軍、羅振敏等[2-5]在小型管道對瓦斯爆炸過程中的特征參數進行了實驗研究，得出爆炸壓力變化的過程可以劃分成4個階段，而爆炸火焰傳播是一突變過程的結論；Fairweather和Chen等[6-8]對甲烷-空氣爆炸的火焰傳播狀態進行了實驗研究，發現只有當火焰傳播至爆炸后期才形成傳播速度較快的湍流狀態；層流-湍流轉變是火焰結構變化的根本原因。然而在煤礦井下和工業生產過程中不可避免的存在一些類似障礙物的生產設備，這些設備對瓦斯爆炸火焰傳播特性有著重要的影響，因此研究障礙物對瓦斯爆炸火焰傳播特性的影響有著極其重要的研究意義。Masri，Ciccareli，王成、藺照東等[9-13]對可燃預混氣體的濃度和障礙物的形狀、阻塞率、位置、表面情況進行了研究，發現可燃預混氣體的濃度和障礙物的形狀、阻塞率、位置和表面情況都會影響火焰的傳播特性；Phylaktou、Vishwakarma和Wen等[14-16]針對擋板、障礙物的放置方式等對甲烷-空氣混合物爆炸特性的影響進行了研究，發現當火焰越過障礙物時被拉伸和褶皺，導致火焰傳播速度增大，爆炸超壓升高；隨著障礙物數量的增加，爆炸火焰速度和超壓峰值明顯增大，交錯障礙物對甲烷爆炸火焰前鋒位置，火焰速度和爆炸超壓等有顯著的影響；丁以斌等[17]對甲烷/空氣混合氣體在立體結構的障礙物作用下的爆炸傳播特性進行了研究，發現與火焰作用面積越多且能夠使爆炸傳播火焰分叉的立體障礙物對可燃氣體爆炸特性的影響較大；Zheng等[18]研究不同中空形狀的方形孔板障礙物對瓦斯爆炸火焰傳播特性，發現與方形孔板、圓形中孔板相比，三角形中空板障礙物能夠產生較大的爆炸壓力和火焰傳播速度；郭丹彤等[19]運用3D動態流體動力學軟件AutoReaGas建立障礙物截面不同變化方式和趨勢的爆炸模型，發現障礙物截面的2種漸變方式對可燃氣體的爆炸參數有很大影響。

從以上的研究可以看出，許多學者對障礙物的阻塞率、間距和數量，以及障礙物的形狀進行了大量的研究。礦井井下設備與巷道壁面的間距對預混氣體爆炸有何影響，在該方面的研究相對較少。本文以體積分數9.5%的甲烷-空氣混合氣體為研究對象，運用自建的瓦斯爆炸實驗平臺，研究障礙物與管道壁面間距比的改變對瓦斯爆炸火焰傳播特性的影響，分析爆炸壓力和火焰傳播速度規律，為工業和井下設備的安裝提供實驗依據。

1 實驗步驟

實驗系統是由爆炸實驗管道，點火系統，配氣系統，圖像采集系統，光電和壓力信息采集系統等，如圖1所示。實驗管道為方形有機玻璃管道，長1 000 mm，截面寬為100 mm，右側封閉，另一端采用PVC膜進行密封。利用德國Lavision4G高速攝像機進行圖片采集，圖像采集頻率為2 kHz，主要記錄瓦斯爆炸火焰鋒面在管道傳播過程，用于計算火焰的速度。利用Keller PR-23型高頻壓力傳感器采集爆燃超壓，壓力傳感器的采集范圍為-0.1～0.2 MPa，時間響應為0.02 ms，最大采集頻率為50 kHz，安裝在實驗管道最大壓力位置的右側封閉端[20]。RL-1紅外光電傳感器，用于記錄點火的開始時刻，壓力和光電傳感器通過USB-1208FS型數據采集卡進行采集，采樣頻率為15 kHz。點火系統使用自制的高頻脈沖點火器，點火電壓為6 V，點火能量為0.2 J，放置在管道右側封閉端。實驗采用排氣法進行預混氣體的充氣，利用2個質量流量計控制氣體，配置成9.5%的預混氣體，甲烷氣體流量為0.76 L/min，空氣氣體流量7.24 L/min，充氣6 min。

圖1 實驗系統Fig.1 The experimental system diagram

實驗管道內設置2處障礙物安裝位置，分別距離管道右端200，400 mm處。障礙物種類是由3種不同阻塞率的長方平板構成，其寬度分別為30，50，70 mm，有著相同的長度和厚度，且長度和厚度分別為100，10 mm。實驗采用的管道為軸對稱結構，障礙物物與管道壁面存在2個間距值，以這2個間距值較小的值作為研究值，即實驗的間距比(φ)表示：

式中：Vmin為障礙物與管道壁面間距較小的值；Vmax為障礙物與管道壁面間距較大的值。

3種不同阻塞率的長方形平板障礙物在管道截面安放的位置如圖2所示。

圖2 長方形平板障礙物在管道截面的安放情況Fig.2 Rectangular obstacles placed in the pipe cross section

障礙物下壁與管道下壁的距離為0時，記為工況一；障礙物下壁與管道下壁間距為a時，記為工況二；當障礙物下壁與管道下壁間距為b時，記為工況三，其中不同阻塞率的長方平板障礙物所對應a，b的數值大小如表1所示。不同阻塞率的障礙物可以構成具有相同間距比的工況一、工況二、工況三，對應的間距比分別為0，0.25，0.5。

表1 3種不同阻塞率長方形平板移動距離a，b數值Table 1 Three different blocking rate of rectangularplate moving a, b values

2 結果與討論

2.1 管道與障礙物壁面間距變化對爆燃超壓的影響

如圖3所示相同阻塞率不同工況下的爆燃超壓曲線圖。對不同工況的壓力曲線，在爆炸前期壓力變化相似，上升的比較緩慢，且經歷1個壓力峰值P0，該峰值主要是由于管道末端密封膜破裂泄壓所產生，P0為PVC膜破裂的壓力值。壓力經歷短暫的緩慢加速之后，開始急速增加，同時不同工況的壓力曲線變化出現差異，主要是障礙物與火焰的相互作用，使得壓力曲線出現差異。達到峰值之后的壓力曲線急劇下降，之后震蕩變化。從壓力曲線圖上可以看出：隨著間距比的增加，爆燃峰值壓力在增加，同時達到最大爆燃壓力極值的時間總體也在提前。如圖4所示，預混氣體達到最大爆炸壓力時刻的火焰鋒面燃燒圖像。在阻塞率相同時，障礙物從工況一(φ=0)到工況三(φ=0.5)變化中，障礙物對火焰鋒面結構的作用也發生改變。隨著障礙物距離管道壁面間距比的增加，障礙物對火焰鋒面拉伸作用越大，使得火焰鋒面的燃燒面積增加。火焰燃燒面積決定了燃燒速率，火焰燃燒面積最大時所對應的時刻，就是達到最大的爆炸壓力時刻。同時，圖4顯示爆燃超壓達到峰值時刻火焰鋒面所在的管道軸向位置，對于阻塞率為70%的障礙物，火焰燃燒鋒面在第1個和第2個障礙物之間，對于阻塞率為30%和50%障礙物，火焰鋒面繞過了第2個障礙物。出現峰值壓力時刻火焰位置都是在與障礙物相互作用之后產生，因而會出現峰值壓力時刻的差異。而阻塞率70%的障礙物達到峰值壓力時刻差異較小，主要原因是火焰鋒面產生最大時刻在2個障礙物之間。相比于2障礙物對火焰的作用，1個障礙物對火焰的作用較小。同時阻塞率過大也是壓力差異較小的另外原因。

圖3 不同阻塞率不同工況的壓力曲線Fig.3 Pressure curves of different cases under different blocking rates

圖4 壓力峰值時刻火焰燃燒結構Fig.4 Pressure peak time flame burning structure

實驗結果顯示，阻塞率為70%障礙物在工況三時產生最大168.2 kpa的爆炸壓力。主要是由于阻塞率較大，燃燒超壓釋放受到限制，造成壓力較大。對比分析不同阻塞率的障礙物在3種間距比下的峰值壓力可知：相比于各自φ=0時的爆燃峰值壓力，阻塞率30%的障礙物在φ=0.25處的峰值壓力增加21.9%，在φ=0.5處的峰值壓力增加61.2%；阻塞率50%的障礙物在φ=0.25處的峰值壓力增加55.6%，在φ=0.5處的峰值壓力增加101.8%；阻塞率70%的障礙物在φ=0.25處的壓力峰值增加53.8%，在φ=0.5處的峰值壓力增加93.3%。從對比結果可以看出，阻塞率為50%障礙物的峰值壓力增量比受間距比改變影響最大。阻塞率為50%時，障礙物會對可燃預混氣體產生最大的爆炸壓力影響[21]。結合火焰傳播圖像，分析間距比的改變對爆燃超壓的影響，如圖5所示 50%的障礙物3種工況火焰傳播圖。隨著障礙物與管道壁面間距比的增加，燃燒火焰鋒面通過障礙物的方式發生改變。從圖5可以看出，火焰在3種工況下繞過障礙物的傳播情況，工況一(φ=0)，火焰只從管道上側通過，同時在管道下壁側有較大的未燃區域；工況二(φ=0.25)，火焰主要是從管道上側通過，下側經過的火焰相對較少，且火焰通過障礙物上下兩側的時間有所差異；工況三(φ=0.5)，火焰經過障礙物上下兩側，且通過時間大致相似。火焰在3種工況下表現出不同的傳播結構，是由于障礙物與管道壁面間距不同，造成障礙物與火焰相互作用的結果有所差異。障礙物與管道壁面間距的變化，改變火焰鋒面經過障礙物時的拉伸情況，同時也會造成未燃氣體在湍流程度的差異，火焰鋒面拉伸越大、未燃氣體湍流程度越強，火焰的燃燒效率也就越大。從圖3可以看出，3種阻塞率的障礙物，在工況三的情況下能夠產生最大爆燃超壓，因此當障礙物將經過的火焰均勻分散時，障礙物對火焰傳播特性的影響最大。

圖5 阻塞率50%障礙物在不同間距比下的火焰傳播結構Fig.5 Flame propagation structure of obstruction ratio 50% under different spacing ratios

圖6 障礙物作用下火焰傳播速度曲線Fig.6 Flame propagation velocity curve under obstacle

2.2 管道與障礙物壁面間距的改變對火焰傳播的影響

如圖6和圖7所示，可以將火焰傳播過程分為2個階段：第一階段是平穩傳播階段，在實驗管道上對應位置為從點火源到第1個障礙物處；第二階段是震蕩上升傳播階段，在實驗管道上對應位置為從第1個障礙物到管道出口處。在火焰傳播的第一階段，火焰傳播速度平穩增加，且加速度較小，可以認為該階段為層流燃燒階段。在火焰傳播的第二階段，火焰傳播速度經歷3次加速過程，2次減速過程，且3次加速的加速度在逐漸增加。火焰速度的前2次加速，主要是火焰鋒面受到傳播截面的變小，導致火焰鋒面在爆燃壓力驅使下擠壓通過變小的截面，造成速度的增大。火焰傳播速度經過2次降低，主要是傳播空間的變大，擠壓作用變小，同時火焰鋒面受到湍流卷吸的作用，鋒面火焰速度降低。第3個加速度的出現，主要是在經過2個障礙物之后，在較強的湍流作用下，火焰的燃燒相對比較充分，同時泄爆管口的約束較小，速度開始第3次增加。從圖7中可以發現，阻塞率為50%的障礙物在不同間距比作用下，火焰第3次加速位置有所不同，主要是火焰在經過2次的障礙物作用之后，火焰傳播速度出現差異，所以加速的位置有所不同。圖7顯示，間距比的改變，在第2個障礙物之前對火焰速度的影響不大，火焰經過第2個障礙物之后，火焰傳播到相同位置時速度出現一定的差距。主要是因為在經過2個障礙物之后，火焰的燃燒曲面，以及未燃氣體湍流程度都有增大。在通過第2個障礙物以后，燃燒火焰與未燃氣體有很好地相互作用空間，同時管道出口處泄壓膜的破裂，火焰在管道軸向傳播限制較少，火焰發展較快，使得障礙物在管道截面位置的改變對速度的影響有所體現。

圖7 阻塞率50%的障礙物作用下火焰傳播曲線Fig.7 The flame propagation curve under the blockage ratio of 50%

從圖7中可以看出，不同阻塞率障礙物間距比從φ=0到φ=0.5的改變過程中，火焰鋒面傳播平均速度總體是在增加。如圖8所示，對于阻塞率為30%和50%的長方形平板障礙物，2種隨著間距比的增大到達出口的時間逐漸提前，阻塞率70%的障礙物在不同間距比下的平均火焰傳播速度相同，但出口處的速度有所差異。

圖8 不同工況達到出口時刻Fig.8 Different cases to reach the export time

火焰傳播速度(vf)計算公式[22]：vf=vu+Sl

式中：vu為未燃氣體在火焰面的垂直方向上的運動速度；Sl預混氣體的燃燒速度。

由公式可以看出火焰傳播速度是由2個參數決定。當障礙物與火焰相互作用時，會增加未燃氣體的燃燒速度，因而會引起爆炸壓力增大。實驗過程采用的是泄爆管道，當泄爆膜破裂時，爆炸壓力在管道軸向的傳播受到的限制較小，壓力波會驅使未燃氣體的傳播。因此爆炸壓力的大小決定著未燃氣體傳播速度，爆燃壓力越大，對未燃氣體的作用越強，未燃氣體傳播速度越大。障礙物與火焰的相互作用，同時改變了未燃氣體的傳播速度和燃燒速度，因此火焰傳播速度會增加。當障礙物與管道壁面的間距發生變化時，障礙物對火焰的拉伸和卷吸也發生改變，燃燒效率發生改變，形成壁面間距的改變對火焰傳播速度的差異。

3 結論

1)隨著間距比的增大，障礙物對預混氣體爆炸特性的影響也就越大。其中當障礙物在管道中心位置使傳播火焰均勻分散時，對瓦斯爆燃特性的影響最大。

2)間距比的改變對爆炸壓力增量比的變化是隨著障礙物阻塞率的增大呈現先增大后減小的趨勢。障礙物與管道壁面間距比改變，對阻塞率50%的障礙物爆炸壓力增量比的影響最大，相比于間距比為0時的爆燃超壓，間距比為0.25和0.5的爆燃超壓分別增加了55.6%，101.8%。

3)當障礙物阻塞率不超過50%時，平均火焰傳播速度隨間距比的增加而增大；當障礙物阻塞率超過50%時，平均火焰傳播速度基本不變。

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