密閉空間內障礙物對瓦斯爆炸傳播影響研究*

韓 蓉,劉 劍,高 科，賴鑫瓊

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

密閉空間內爆炸所產生的沖擊波在壁面上來回反射，相互疊加，促使超壓峰值增大[1]，而障礙物的存在同樣會對火焰傳播速度及爆炸壓力產生極大的影響[2]，一旦發生爆炸，將會對人員安全造成極大的威脅。

近年來，國內外眾多學者對密閉環境以及可燃氣體在放置障礙物的條件下其火焰傳播速度及爆炸壓力的變化規律進行了大量研究。朱傳杰等[3]研究了爆炸波在封閉型系統的沖擊和振蕩特征及其特征參數變化規律；陳東梁等[4]利用高速紋影攝像技術記錄了密閉管道中不同當量比的甲烷/空氣預混氣體火焰傳播特征；候紅霄等[5]應用計算流體動力學軟件AutoReaGas研究了小環境的密閉空間內初始壓力對預混合可燃性的影響規律；徐景德、楊庚宇[6]對瓦斯爆炸傳播過程中障礙物的激勵效應的物理機制進行了分析；Cieearelli[7]，尉存娟[8]等研究了改變障礙物的間距對火焰傳播速度和爆炸壓力的影響情況；Johansen[9]，朱建華[10]研究了障礙物的阻塞比對火焰傳播速度的影響；秦澗[11]，王成[12]，Ibrahim[13]等對不同形狀的障礙物對瓦斯爆炸的影響進行了研究；袁宏甦[14]，楊春麗[15]研究了障礙物的數量對瓦斯爆炸沖擊波壓力的影響。

雖然專家學者大量研究了密閉空間以及障礙物對瓦斯爆炸的影響規律，但對密閉空間內障礙物排列方式對火焰及沖擊波傳播規律的影響尚需進一步研究。煤礦采空區是由大塊度巖石組成，巖塊自由堆積，形成大的孔隙和空洞錯綜連接，由于采空區的復雜性，無法建立相對應的模型。現將這些巖石簡化為障礙物，通過數值模擬的方法，研究理想狀態下采空區內障礙物的不同直徑及排列方式對火焰及沖擊波傳播規律的影響。

1 密閉空間內瓦斯爆炸數值模型

1.1 數學模型

對密閉空間內瓦斯/空氣預混氣體爆炸過程合理簡化，采用的數學模型中基本方程有質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分方程、湍流動能方程和湍流動能耗散率方程，分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρ為理想氣體密度；u為速度；p為壓力；T為溫度；N為組分數；Yi為組分i的質量分數；Mi為組分i的分子量；τij為粘性應變張量；Fj為體積力；h為焓值；Qj為熱流量矢量；Sr為輻射熱損失(瓦斯爆炸過程中Sr=0，即忽略輻射熱損失)；Se為放熱率；Gk是由層流速度梯度所產生的湍流動能；YM是由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；C1，C2是常量；αk和αε是湍流動能方程和湍流動能耗散率方程的湍流Prandtl數；Rε為湍流動能耗散率方程的修正項。

1.2 瓦斯爆炸燃燒模型

燃燒模型采用兩步反應模型，反應1、反應2分別為：

CH4+O2→CO+H2O+Q1

CO+O2→CO2+Q2

1.3 幾何模型

方形狹長密閉空間的結構可以簡化為圖1～2所示的幾何模型，模型采用長度為30 m的光滑密閉方管，壁厚0.05 m，方管截面為0.5 m×0.5 m。模型內均勻填充球體模擬障礙物，球心之間間隔為0.2 m。點火位置在左側壁面中心處，密閉方管內充滿9.5%濃度的瓦斯氣體，點火前混合氣體的溫度為20℃，壓力為100 KPa。

為了測得瓦斯爆炸過程中火焰傳播速度及沖擊波的變化規律，主要對以下3種方案進行數值模擬研究。第1種方案：無填充的密閉方管；第2種方案：填充有球體障礙物的密閉方管模型，球體障礙物同位排列，其中模型內球體障礙物的直徑分別為0.1，0.07，0.04，0.02 m，如圖1所示；第3種方案：選取直徑為0.07 m的球體障礙物作為研究對象，球體障礙物錯位排列，與球體直徑為0.07 m的同位排列情況進行對比，如圖2所示。

2 密閉方管模型內火焰的傳播規律

為了研究密閉方管模型內火焰的傳播規律，分別對有無球體障礙物、球體障礙物不同的排列方式以及不同直徑3種情況數值模擬，以進行對比分析研究。

圖3為無填充的密閉方管模型內火焰的傳播，火焰陣面比較光滑，呈橢圓形，與混合氣體接觸面積較小，火焰溫度較低。圖4為球體障礙物規則排列的密閉方管模型，與無填充的密閉方管模型相比火焰發生明顯變化。火焰陣面由于球體障礙物的拉伸，由橢圓形變化至鋸齒形，沿球體障礙物的間隙依次向后傳播。圖5為球體障礙物錯位排列的密閉方管模型，可以看出火焰兩邊緣貼近上下壁面的部分溫度升高較快，中心部分溫度上升相對較慢，火焰中心向后凹陷，火焰陣面被球體障礙物分割成多個“V”字型。

圖1 同位排列的模型平面示意Fig.1 Alignment of spheres

圖2 錯位排列的模型平面示意Fig.2 Interval alignment of spheres

圖3 無填充的密閉方管內火焰傳播Fig.3 Flame propagation in enclosed square tube

圖4 同位排列的密閉方管內火焰傳播Fig.4 Flame propagation in enclosed square tube with alignment of spheres

圖5 錯位排列的密閉方管內火焰傳播Fig.5 Flame propagation in enclosed square tube with interval alignment of spheres

圖6為球體直徑0.07 m時火焰傳播的速度情況。可以看出當密閉方管內有球體障礙物時，火焰傳播速度明顯高于無填充的密閉方管內火焰的傳播速度。在密閉方管模型中，球體障礙物使火焰湍流強度加大，氣體流速增大，燃燒速度也增大，而較高的燃燒速度使湍流強度繼續加大，形成氣體流動與火焰燃燒傳播之間的正反饋。在這種正反饋機制下，瓦斯爆炸的反應速度與能量釋放速度共同增加，促使火焰的傳播速度繼續加快。由此可見，球體障礙物對瓦斯爆炸的火焰傳播起激勵作用。

圖6 模型內火焰的傳播速度Fig.6 Flame propagation speed in the models

分別選取球體障礙物直徑為0.1，0.07，0.04，0.02 m的同位排列情況，在距離點火源2.1，4.1，6.1，8.1，10.1，12.1，14.1，16.1，18.1，20.1，22.1，24.1，26.1，28.1 m處進行數值模擬，同時選取無填充的密閉方管進行對照分析，如圖7所示。

圖7 模型內火焰傳播速度Fig.7 Flame propagation speed in the models

圖8 10 m處不同直徑最大火焰傳播速度Fig.8 Maximum flame propagation speed at 10 m with different diameters

由圖7可以看出在無填充的密閉方管內，火焰傳播比較平穩且緩慢，傳播至方管前部時火焰速度達到峰值，之后傳播速率逐漸減小。當模型內有球體障礙物時，火焰的傳播速度發生明顯增大現象。在火焰傳播初始階段，隨著球體直徑的增大，火焰的傳播速度呈先增后減的變化規律。圖8是在距點火源10 m處火焰的傳播速度情況，可以看出，在球體直徑為0.07 m時，火焰的傳播速度最大。球體障礙物直徑的增加，使變形的火焰陣面在一個較大表面上消耗燃料和氧氣，導致熱釋放速率的增加，火焰的傳播速度也逐漸增加；當球體障礙物直徑繼續增大時，球體障礙物之間的空間變小，火焰沒有受到充分擾動就遇到下一列球體障礙物使火焰加速距離變小，加速時間也變短，不利于火焰的傳播，火焰傳播速度將會下降。可見，不同直徑的球體障礙物對速度的激勵效應也存在差異。

3 密閉方管模型內沖擊波的變化規律

由圖6可知，球體障礙物對火焰的傳播有激勵效應，因此密閉方管內壓力也會存在一定的變化。選取球體直徑0.07 m為研究對象，在距離點火源1.1，5.1，9.1，13.1，17.1，21.1，25.1和29.1 m處進行壓力的變化研究。

在無填充的密閉方管中，點火初期時壓力變化較小，呈緩慢上升狀態。隨著燃燒的進行，管內產生的熱量增加，壓力逐漸提高，呈震蕩特征，傳播約1.1 s時壓力達到最大值0.58 MPa，如圖9所示。如圖10和圖11所示，在2種排列方式的密閉方管模型內，壓力均快速升高，且最大值均大于1 MPa。在同位排列的模型中，約0.2 s時壓力達到最大值1.03 MPa，約為無填充的密閉方管內最大壓力的2倍。而在錯位排列的模型中，0.11 s時壓力即達到最大值1.47 MPa，約為無填充的密閉方管內最大壓力的2.5倍。圖12為模塑壓力變化速率曲線，通過圖12可以看出，無填充的密閉方管內壓力上升速率并不明顯，其上升速率的最大值不超過0.7 MPa/s。在密閉方管模型內，壓力上升速率增大，火焰傳播至方管末端時，壓力上升速率達到最大值；同位排列的密閉方管內，方管前部壓力上升平穩，隨著火焰的傳播，壓力上升速率加快，其最大值約為無填充光滑密閉方管的60倍；在錯位排列的密閉方管中壓力的上升速率更快，其最大值近似408 MPa/s，約為無填充密閉方管的600倍。

圖9 無填充的密閉方管內壓力變化Fig.9 The pressure change inenclosed square tube

圖10 同位排列模型內壓力變化Fig.10 The pressure change in alignment model

圖11 錯位排列模型中壓力變化Fig.11 The pressure change in interval alignment model

圖12 模型內壓力變化速率Fig.12 The rate of pressure change in models

在密閉方管模型中，隨著火焰的推移，已燃氣體溫度升高，氣體膨脹推動未燃氣體向前傳播，形成前驅壓力波。當火焰遇到球體障礙物時，觸發壓力波發生擾動，使火焰前方未燃氣體的湍流強度加大，引起方管模型內化學反應速率和熱釋放速率的加劇，使得方管內溫度繼續升高，沖擊波壓力也相應增強。與同位排列的模型相比，錯位排列的模型中，火焰陣面被球體連續剪切，所引起的氣流湍流程度更大，湍流再次加速火焰傳播，增強氣體爆炸過程的正反饋，使得壓力上升速率更快，約為同位排列的100倍。

4 結論

1)球體障礙物對火焰傳播存在激勵作用。密閉方管模型內火焰的傳播速度遠大于無填充的密閉方管內火焰傳播速度。在火焰傳播的初始階段，無填充的密閉方管內火焰傳播平穩且緩慢；在同位排列的密閉方管內，隨著球體障礙物直徑的減小，初始階段的火焰傳播速度呈先增后減的變化規律，當球體直徑為0.07 m時火焰傳播速度達到最大值。

2)球體障礙物對沖擊波具有重要影響。在無填充的密閉方管中，壓力上升緩慢且呈震蕩變化，最大值約為0.58 MPa；在密閉方管模型內，壓力快速上升，其最大值均大于1 MPa。

3)無填充的密閉方管中，壓力上升速率不超過0.7 MPa/s；同位排列的密閉方管中，壓力上升速率約為無填充的密閉方管的60倍；而錯位排列的密閉方管中，壓力上升速率可達到408 MPa/s，約為同位排列的100倍。