不同濃度瓦斯爆炸傳播過程中的障礙物激勵效應數值模擬研究

(華北科技學院安全工程學院 北京 101601)

引言

我國高達95%的煤礦開采為地下開采方式，事故頻發，嚴重的危害了煤礦的安全生產和工作人員的生命安全[1]。其中瓦斯爆炸事故尤其嚴重，因此瓦斯爆炸事故一直是治理的重點。由于煤炭生產和開采安全的需求，煤礦巷道布置有大量的輸運礦車、支護設備、通風設備等設施設備、當瓦斯爆炸事故發生時，這些設施設備阻礙了瓦斯爆炸沖擊波和火焰波的原始傳播途徑，對瓦斯爆炸沖擊波和火焰波具有激勵作用，增大了爆炸威力，使瓦斯爆炸危害性增大，因此有必要對瓦斯爆炸傳播過程中的障礙物激勵效應進行研究[2]。預防和消除重特大瓦斯爆炸事故需通過研究瓦斯爆炸傳播規律和影響其傳播因素來升級相應的技術裝備，增加相應的管理和培訓措施，以此預防或者減少事故的發生。

一、瓦斯爆炸規律

瓦斯在空氣中的反應是典型的支鏈反應。支鏈反應的特點在于：在反應中一個自由基能生成一個以上的自由基。不論是何種鏈式反應都由三個階段構成：即鏈的引發，鏈的傳遞(包括鏈的支化)和鏈的終止[3]。下面以瓦斯的主要成分甲烷和空氣的支鏈反應為例進行闡述。

甲烷與空氣混合物的爆炸是一種劇烈而迅速的支鏈反應，對于甲烷，一般在高溫下氧化反應進程為：

CH4→CH3→H2CO→CO→CO2

甲烷氧化反應可認為是CH4、H2、H2CO和CO的氧化。這四個鏈在反應過程中相互影響，例如，H2CO氧化時產物的自由基可加速CH4的氧化進程。在甲烷氧化過程中，首先CH4分解為大量的基團，這一步驟速度相對較慢，在反應起始階段基團的濃度較低。一旦反應中心產生，O、OH、H和HO2就成為反應的重要組成部分，在反應中起主導作用并加速反應過程。這些反應將使CH4反應生成CH3，在反應初期基團中CH3的濃度最高。在誘導期中這部分反應居主導地位。隨著CH3和O2或其他基團進行反應，中間產物的反應率及濃度相對穩定并對整體反應起重要影響。綜上所述：在高溫狀態下CH4氧化的主要化學反應進程為：①CH4氧化分解；②分子與基團反應；③鏈分支反應；④鏈終止。

瓦斯爆炸過程是一個化學反應流動過程。幾乎所有的氣體爆炸過程中氣體流動狀態是湍流流動。由于氣體湍流流動增加了燃燒波面與未燃氣體的接觸面積，從而增加了氣體化學反應速度。另一方面，較快的化學反應速度反過來又影響氣體流動過程。因此，在氣體爆炸過程中，氣體反應過程和流動過程是密切相關的，燃燒和氣體流動是相互耦合的、相互正反饋的關系[4]。

當預混瓦斯氣體被引火源引燃后，會迅速形成一個以點火源為中心的小火球，并以同心球面波的形式一層層向外傳播。反應過程中燃燒產物不斷膨脹，未燃氣體收到壓縮，產生一定的壓力梯度，形成前驅沖擊波，并不斷向外傳播。在前驅沖擊波作用下，火焰波不斷被驅動，未燃氣體被壓力波鋒面壓縮，并在高溫作用下被迅速點燃，形成新的火焰，迅速形成湍流，火焰加速并將瓦斯氣體全部點燃[5-7]。

二、Fluent數值模擬

(一)物理模型。在80m*3m*3m的管道中放置障礙物。在方形、球形、圓柱形三組障礙物中，將障礙物橫截面積固定為4m2，并保證其他條件一致，盡量確保其他條件一致的情況下障礙物形狀的變化對巷道瓦斯爆炸傳播的影響。重點分析爆炸場內壓力、溫度及速度分布情況。為了使模擬結果更為明顯，因此在模型中每組障礙物設置四個，形狀大小均相同，在管道中呈直線分布，并且四個障礙物在各組模型中分布范圍一致。利用障礙物的連續激勵效應增大對瓦斯爆炸傳播的影響，使模擬結果對比更加明顯，有利于結果比較分析。

仿真模擬對80m*3m*3m的管道充入濃度分別為5.5%、9.5%、13.5%的甲烷—空氣預混氣體，忽略管壁厚度。模型1至模型3分別放置三組不同形狀但相同截面積的障礙物，每組設置四個障礙物且障礙物全部規定在管道相同位置以便于對模擬結果進行對比分析。模型1中的障礙物為2m*2m*2m的正方體；模型2中的障礙物為直徑為2.258m的球狀物；模型3中的障礙物為底部直徑1.33m高3m的圓柱體。所有障礙物的底部中心點均排列在管道底部中心線上，具體坐標為(15,0,1.5)；(20,0,1.5)；(25,0,1.5)；(30,0,1.5)。

(二)初始條件及邊界條件。網格尺寸劃分為0.25m*0.25m*0.25m。設置邊界條件：左端壁面設置為“Velocity inlet”，入口溫度2000K，右端壁面設置為“Pressure outlet”，出口溫度300K，其余都設置為“Wall”，溫度300K且為絕熱狀態。

三、數值模擬結果分析

在不同濃度下相同障礙物的流場分布圖基本相同，故以下都以9.5%甲烷濃度云圖為例說明，而壓力、溫度、傳播速度上有明顯差異。

火焰通過方形和球形障礙物時，在第一個障礙物前壁面出現速度銳減現象，并且障礙物前壁面上方和障礙物兩側時火焰加速通過障礙物，經過障礙物后，火焰再次加速；火焰通過圓柱形障礙物時，障礙物前壁面火焰陣面拉伸變形，出現湍流并減速，兩側火焰加速通過，經過障礙物后又出現一個加速過程[8]。

四、結論

(1)本文通過Fluent數值模擬軟件進行了不同瓦斯濃度下障礙物對火焰傳播影響的數值模擬，得到了數值模擬模型截面(Z=1.5m)處的壓力、溫度和速度分布圖和分布規律。

(2)障礙物擾動了爆炸火焰波傳播，形成高梯度的粘性邊界層，形成湍流，造成火焰陣面被拉伸變形，增加燃燒面積，引起火焰加速，加強湍流，湍流的加劇導致火焰陣面進一步發生扭曲，造成火焰傳播速度的進一步增大，這成稱為火焰加速的正反饋機理。

(3)其他條件相同不變，改變障礙物形狀，瓦斯爆炸傳播規律發生變化。球形障礙物對火焰傳播速度及火焰陣面的影響最大，正方體障礙物影響相對較小；球形障礙物情況下，爆炸壓力上升速率及火焰傳播速度最大，正方體障礙物影響最小。

(4)本文主旨在于完善巷道內瓦斯爆炸傳播理論，為井下巷道瓦斯爆炸事故的防治提供理論依據，為設備設施的擺放提供技術指導。