基于PIV對瓦斯爆炸流場的綜述及展望

劉瓊蔚 羅振敏

摘要：為了梳理現行的瓦斯爆炸燃燒流場的探測技術，通過文獻調研的方法，對瓦斯爆炸流場、PIV技術、燃燒流場中PIV技術的應用這3個方面的國內外研究現狀進行了綜合評述，并對應用于其中的主要技術手段和結論進行提煉。研究表明，現行的主要流場技術主要包括插入式探針法、畢托管測速法、旋漿流速儀等接觸型技術以及多普勒激光測速技術、激光誘導熒光技術、PIV技術等非接觸型技術，其中在接觸型技術中插入式探針法因為其方便經濟易于操作所以應用最為廣泛，但很容易受到周圍環境的影響與火焰的干擾;非接觸型技術中最典型的PIV技術則突破了這種局限性，能夠在粒子的層次加以探究各種反應過程。綜合來看，PIV技術更適合于一些復雜流場例如爆炸、燃燒流場。在此基礎上，還得出了在當前該研究存在的不足之處以及下階段的研究方向。

關鍵詞：瓦斯;爆炸;PIV;流場;燃燒

中圖分類號：X 937文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2019）02-0284-08

0引言

我國是能源消費大國，煤炭占據著能源消費的百分之七十以上。由于煤炭所在的地理位置，開采煤炭主要是在地下的巷道之中進行，礦井巷道內的環境極其復雜，很容易造成生產事故，瓦斯爆炸便是煤礦事故中危害最大的一種，一旦在礦井下發生瓦斯爆炸那么后果是不可預估的[1]。

目前研究瓦斯爆炸流場的主要方式有2種，一是對礦井巷道進行模擬，二是搭建實驗管道進行實驗分析。對于模擬的大型礦井巷道通常采取的方法是研究關鍵位置參數變化以及與軟件模擬相結合;模擬小型礦井巷道通常是設置一些測量點，然后使用與之有關聯的器材測試，進而觀察瓦斯爆炸燃燒過程中火焰的整體運動趨勢、設置測量點上數值的變化，最后將火焰的運動趨勢與測量點數值的變化結合起來分析其中的關系。實驗過程中數據采集所采取的方法通常為接觸型，這種方法有以下兩方面的不足，一方面是爆炸燃燒中火焰對研究結果產生干擾，另一方面是研究過程中周圍環境的影響，這兩方面影響了研究的準確性并且擴大了測試范圍。PIV技術的發明和應用大大減小了上述方法帶來的局限性，能夠在粒子的層次探究各種反應過程，此外對實驗測試得到的照片處理和對光電實驗的研究一方面使整個反應過程的二維和三維的信息更加明顯，另一方面可以給反應的過程增加熱力學的特性和瞬時的流動性，隨著激光技術的不斷進步與發展，各種反應場的速度場更易于捕捉。

第2期劉瓊蔚等：基于PIV對瓦斯爆炸流場的綜述及展望1瓦斯爆炸流場的研究

在瓦斯爆炸流場方面，國內外許多學者都對流場的壓力、溫度、速度、爆炸火焰特征、反應速率、火焰傳播規律等特性進行了研究。近些年來，全球的許多專家和學者一直在探究煤礦井下發生的瓦斯爆炸問題。最開始的時候他們研究瓦斯爆炸是通過手寫編程求解流動方程組的方法。在我國，吳兵[2]使用的研究方法是TVD格式，通過該方法對瓦斯爆炸進行分析研究，最后推出了壓力波、火焰以及障礙物這三者之間的關系;梁棟[3]通過SIMPLE方法分析了瓦斯爆炸，進而總結出了瓦斯的濃度與風速有著極為密切的聯系，即風速越大瓦斯的濃度越小;徐景德[4]使用的研究方法同吳兵使用的研究方法相同，他借助TVD工具對煤礦井下燃燒的甲烷進行數據分析，繼而得出了甲烷的火焰和沖擊波有著正向關系的結論。

改革開放之后，經濟快速的發展，許多新興產業也應運而生，并在國內經濟良好發展的潮流下不斷進步，計算機行業便是受益者之一。越來越多的學者和專家開始對瓦斯的爆炸進行分析探究，隨之而來的也產生了許多的計算軟件。例如，胡學義[5]使用的計算軟件便是Auto Rea Gas，通過該軟件對煤礦井下瓦斯發生爆炸的整個階段進行分析研究;Michele[6]借助計算軟件分析了瓦斯發生爆炸的整個階段，進而得出結論：瓦斯爆炸強度在某個特定的情況下受煤氣管路直徑的影響;Ulrich[7]基于計算軟件分析得出的結論表明瓦斯爆炸所產生火焰的軌跡在一定程度上可以反映煤氣管內瓦斯發生爆炸的壓力以及其增長的軌跡;Fairweather[8]等人在對瓦斯發生爆炸的過程進行分析研究時得出了這樣的結論，即障礙物的多少極大的影響瓦斯爆炸產生的壓力值。王新[9]使用的計算軟件是CFX，通過該軟件對瓦斯發生爆炸后所產生的甲烷等氣體進行分析探究，然后再與現實中所發生的種種瓦斯爆炸案例相聯系，進而劃分出了管道內的不同危險區。羅振敏[10]使用FLACS軟件對瓦斯發生爆炸的整個階段進行分析探究，解決了瓦斯發生爆炸后所產生的熱量是通過熱傳導、對流換熱以及輻射熱來進行熱傳遞;張玉周[11]使用DYTRAN軟件對瓦斯發生爆炸的整個過程進行分析，最終得出了管道內障礙物的多少對于沖擊波的傳播速度的作用程度;曲志明[12]通過計算軟件分析說明了瓦斯爆炸所產生的壓力波和速度波在進行傳播時的相關性。

現如今，我國大多數的學者在對瓦斯爆炸進行分析研究時使用的計算軟件主要是Fluent。例如，黃文祥[13]等學者便借助了 Fluent軟件中的一個高速攝影儀對瓦斯爆炸所產生的不同火焰進行了分析模擬，進而得出火焰的具體特性以及其傳播的速率皆有一定的規律可循;鄭有山[14]等學者主要分析的是瓦斯在管道的變截面區域內所產生的爆炸情況，通過使用Fluent軟件，得出了瓦斯爆炸所產生的強度的大小與管道的變截面區域的大小有著正向的關系;楊春麗[15]基于Fluent軟件對瓦斯的濃度進行分析從而得出瓦斯濃度的大小與它所處的區域有正向關系，巷道越大，涌出的瓦斯濃度越多，反之則越少;戴林超[16]借助了計算軟件分析了瓦斯在完全密封著的管道內所產生爆炸的威力，最后得到了其火焰的特性、傳播速度的規律。

國內有眾多學者也對導致瓦斯發生爆炸的因素進行了研究，如巷道、采空區區域的大小以及形狀等。例如，侯瑋[17]從不同角度對管道內部所產生的沖擊波進行分析，發現沖擊波的壓力以及溫度等在經過90度的管道時均出現減少的現象;朱學亮[18]等學者通過分析管道的長短對瓦斯爆炸所產生的作用，繼而得出了瓦斯爆炸所產生的火焰在不同長度的巷道內有不同的傳播速度，并將其分為了以下三個主要階段：快速上升、擴散傳播以及慣性前進。蘭澤全[19]等學者基于某一計算軟件對瓦斯的濃度進行分析發現當采空區的區域較大時，在一定程度上可以減少瓦斯所擴散的濃度的大小，當采空區處于泄風巷的位置時則可以對瓦斯濃度進行分流;謝振華[20]等學者主要從采空區形狀的角度對瓦斯濃度產生的影響進行分析研究。

國內還有許多學者對發生瓦斯爆炸管道內所存在障礙物的各種特征進行了分析研究。比如說王志青[21]基于計算軟件對瓦斯爆炸所產生的壓力值進行分析，得出了條狀的障礙物對爆炸壓力的影響比圓狀的的障礙物要大許多;許航[22]的研究結果與侯萬兵等人研究得出的結論是一致的;陳成[23]主要從螺旋形障礙物螺距的角度出發，得出其與瓦斯爆炸所產生壓力值的大小呈正向關系的結論。除了以上這些研究，國內的專家們還對瓦斯的初始點燃條件進行了模擬分析。黃子超[24]對瓦斯的點燃溫度進行了分析，繼而得出了瓦斯火焰溫度以及瓦斯爆炸所產生的氣體組成成分濃度的規律;陳先鋒[25]得出了量比濃度與爆炸的壓力之間的規律;朱傳杰[26]等學者主要是對瓦斯爆炸的傳播過程進行了分析研究;宮廣東[27-28]等學者對瓦斯爆炸的影響因素進行了分析研究，得出了以下結論：管道內有無障礙物在一定程度上決定了瓦斯爆炸的強度，兩者之間存在著正向關系。根據國內外研究瓦斯爆炸的資料可知[29]，大部分的研究都僅僅局限于煤礦井的管道以及采空區等，雖然研究瓦斯爆炸的方法有限，但也是非常具有參考價值的。通過不同的角度如管道的U型面、管道的Y型面和管道內有無彎道的存在等，眾多學者對瓦斯爆炸的相關特性進行了透徹的總結[30]。

2PIV技術的研究

PIV（particle image velocimetry）即為粒子圖像測速，是近代以來研究流體物質最常用的一種測速工具，它的最主要的三大特點便是瞬態、無接觸式以及多點。它在進行流體的模擬計算時完全打破了傳統測速工具的局限性，可以在不接觸流體的前提下對其進行瞬態的分析，分析內容主要包括流體空間結構、流體在一定環境中的特征以及流體速度傳播的特性。

利用PIV技術在對流場進行分析模擬時，是通過散播一定的示蹤粒子與其內部不進行接觸的高精度測量，PIV憑借著這些優勢在國內外越來越被大家所接受[31]。自20世紀七十年代首先提出PIV這一測速流體的方法時，它是不被大家所接受的，但是隨著它的不斷改進與完善測速技術的同時也被更多的人所熟知并廣泛的應用于流場的測速中，PIV工具也從過去的僅能使用二維2D-2C技術來測量流場中的流體的特征，到現在已經可以自如的使用二維2D-3C、三維3D-3C技術對其進行測量[32];隨著PIV技術的精進，越來越多的領域開始使用該技術并將該技術作為測速的基礎工具來使用，例如在空間壓強場重構技術[33]、遠場噪聲的預測技術[34]以及氣動載荷的確定技術[35]等方面的應用。

PIV第一代的自關模式最早出現在1990年前后，在技術人員的不斷完善下，該技術的精準度以及實用性均有了質的飛躍，并廣泛的被業界人士所認可;但PIV技術仍然存在著一定的局限性，比如說使用該技術在進行流場區域的劃分時比較浪費時間，工序上更加復雜，所以PIV技術也在進行著新一輪的創新，經過不斷嘗試最終研究出了新一代的DPIV技術，全稱為數字圖像測速技術。DPIV技術的優點是用計算機技術對流場空間的結構和特征進行數據化的處理，并將之以圖像化的方式呈現在大家面前[36]。

我國對于PIV的研究始于1990年前后，當時許多著名的高校都在進行該項技術的研究，如北京航空航天大學、浙江大學以及大連理工大學等。北京航空航天大學的申功炘[37]等人研究PIV技術的時間較長，主要是借助實際模擬與計算機圖像分析的方法來對PIV技術測量流體的速度、特征進行分析研究，從而得出相應流體計算的理論公式，也為PIV技術之后的應用打下了良好的根基。浙江大學的王燦星[38]團隊主要是分析研究PIV技術在處理技術圖像方面。阮曉東[39]團隊在基于Delaunay計算技術的基礎上研究出了如何處理PIV數據中出現的錯誤矢量。清華大學的禹明忠[40]團隊主要研究的是當PIV技術在使用的過程中出現圖像變形時，對其進行糾正改進，以便于PIV技術更好地應用于流場測速上。北京航天航空大學的高琪[41]團隊則主要研究的是PIV速度場的處理方式，在原有的基礎上提出了一種新型的POD分解處理技術，從而對速度場進行更好地處理。天津大學的李恩幫[42]團隊從PIV技術所散布示蹤粒子的角度出發，通過研究粒子特征對其進行數據模擬，從而得出了示蹤粒徑與脈動頻率等對示蹤粒子的影響規律。

除了國內的學者研究以外，國外的許多學者也對PIV技術中所出現的錯誤矢量進行了分析研究，如H Huang，D Dabiri和M Gha[43]等人得到了錯誤矢量的相關處理方法，這種方式極大的減少了PIV技術中所出現的錯誤矢量，然而它也有一定的局限性，即沒有充分考慮示蹤粒子以及其流動速度等因素的作用。J Nogueira，A Lecuona和P A Rodriguez[44]等學者同樣研究了PIV技術中所出現的錯誤矢量，他們主要是通過插值過濾的方法，從而減少錯誤矢量。M Stanislasy和J C Monnierz[45]等學者從示蹤粒子的三個角度即密度、粒徑和濃度出發，研究其對PIV技術的精準度的影響程度。R Theunissen和F Scarano[46]等學者分析了使用PIV技術在進行數據處理時的影響因素，最終得出查詢窗口的尺寸對錯誤矢量的多少有極大的影響。

PIV技術在初始階段的應用中暴露出許多的問題，如以前在進行數據處理時大多是使用二維2D-2C技術對流場數據進行處理分析，但是隨著需求的不斷增加，以及流場流體的復雜性不斷加大，傳統的二維2D-2C技術已經不能滿足時代的需求，于是，相關的技術人員便經過不斷的改進，最終形成了二維2D-3C、三維3D-3C技術。H Royer[47]等學者最先提出了適合全息PIV技術的圖像處理方法，并得到業界人士的認可;康琦[48]則開發出了3D-PIV技術，并廣泛應用于流場測速。

通過以上分析可知，PIV技術已經廣泛應用到二維流場中，并且PIV技術較之以前也有了極大的進步，如精準度更高，在數據和圖像的處理上也更為先進。然而，二維2D-2C技術仍存在著一定的局限性，比如在不同平面的測速上會受到限制，大多只能測量一個平面，為了突破二維的局限性，經過不斷地研究發展，最終開發出了二維2D-3C、三維3D-3C技術，并廣泛應用于流場測速。

3燃燒流場中PIV技術的研究現狀

各式新型燃燒技術的問世使得研究燃燒流場復雜性的水平得到有效的提升，人們開始關注火焰流場的可視化等問題。

在國外，德國羅斯托克大學的Hannes Kroger[49]等人通過研究相關理論，發現了CIVB現象，還發現在旋轉射流時可以產生渦，便提出了渦是穩定的且在渦內的流動具有軸向和徑向速度的這一觀點。日本的Teruhito Otsuka和Piotr Wolanski[50]利用PIV觀察火焰的結構，分析了如何才能得到更加精準的速度場，且與其他學者探討了如何選擇最佳示蹤粒子直徑等問題。英國的Q Wang[51]通過研究有關理論，提出了之所以環形渦能夠從噴嘴一直運動至火焰的下游位置是由于同軸空氣的推動力這一觀點。英國的Li-Wei Chen團隊[52]提出將鎖相技術與高速紋影技術相結合，從而探索在聲場激勵作用下，噴散火焰的噴嘴發生流動的特點，得到了在不同頻率下聲波的速度場以及擴散火焰所形成的紋影圖像，這些都表明在聲場刺激下，致使燃料流速存在一系列的波動不僅是因為聲場，還受到附近空氣運動的改變。P.Gopalakrishnan[53]提出將PIV與OH PLIF技術兩者相結合的手段從而分析得出了燃燒器其停滯點的具體位置和NOx排放二者之間相關聯的地方。

Papadopoulos等人[54]利用PIV檢測到甲烷/空氣擴散燃燒脈動火焰的速度場。Widmann等人[55]將三維PIV技術應用于旋流噴射火焰在噴嘴處的速度特性實驗，對比分析了平行于噴嘴處3個方向上的速度。Han與Mungal[56]結合PIV技術與PLIF技術，也稱之為激光誘導熒光法，測量了湍流射流的燃燒流場，從而取得了流場速度的分布。Kurosawa等人[57]將PIV測試技術應用于燃氣輪機的燃燒室，對比了在預混燃燒和擴散燃燒這兩種情況下的火焰速度場。

Kodal等人[58]采用PIV測量了不同雷諾數下的甲烷/空氣擴散火焰的流場，進一步分析了湍流結構以及雷諾應力。Otsuka等人[59]采用PIV測量了不同當量比下的甲烷/空氣預混火焰傳播的速度、火焰的結構和速度的分布情況。Nye等[60]學者利用PIV測量了V型甲烷/空氣預混火焰和卡門渦街相互作用產生的火焰，從而進一步驗證了測量結果與OH-PLIF和數值模擬相類似。Muniz[61]等學者利用PIV測量了值班和抬升湍流的非預混火焰，進一步對值班火焰湍流的結構、卷吸以及伴流速度等特性進行研究。Adrian[62]提出即使縮短一些查詢區尺寸也能利用PIV技術測量速度場存在的高階脈動量，此外還與LDV進行對比，認為PIV利用燃燒流場所產生的湍流極大程度縮短了測量工作的勞動量。Yshion[63]提出利用PIV技術測量非穩態的分離流速度場，從而獲得二階統計的有關數據。Kim M等人[64]提出利用聲場去擴散火焰的形態，稱PIV和OH激光的誘導熒光，即PLIF相應用，從而取得火焰的峰面這一速度矢量圖以及OH等值的云圖，這一實驗現象表明火焰由于聲場的刺激可以在擴散鋒面上展現一系列渦街。猶他大學的Eric Eddings在兩相射流的火焰測量前提下采用PIV技術，并將煤粉作為示蹤粒子去研究層流條件時在不同的當量比下射流煤粉所形成的火焰場，從而得出以煤粉作為示蹤粒子在PIV的測量中是可行的[65]。

目前國外專家同樣認為將PIV技術應用于復雜流場這一方法是可行的。Schroli[66]等專家實踐了當壓力至0.7MPa，來流溫度到800K時，利用PIV技術測量可以得到單頭部燃燒室內所產生的旋流流場的結構，表明燃燒使得PIV跨幀相機亮度過于飽和的問題迎刃而解。Ahmed[67]等人對單級旋流結構的燃燒室進行研究時提出將PIV技術應用于不同的主燃孔位置以及不同油氣比條件下的流場。

楊浩林等人[68]率先在國內運用PIV技術去研究甲院同軸射流的擴散燃燒的流場，分析了火焰光的強弱是否會對結果產生影響，此外還解決了示蹤粒子怎樣導入燃氣管。以往我國在利用PIV技術研究燃燒時大多是在冷態模擬情況下，郁煒等人[69]將PIV技術應用于燃燒流場，周見廣[70]將PIV技術應用于帶有鈍體燃燒器的噴嘴出口位置的燃燒流場，對比分析了冷態的流場與燃燒火焰內部的流場。上海交大的團隊成員[71]利用PIV技術測量了包括擴散燃燒和去旋轉非預混燃燒等火焰流場。環形燃燒室流場的研究歸功于南京航空航天大學覺新憲[72]等人，他們在考慮了主燃孔的尺寸、空間的排布、進口的空氣溫度以及一級軸向旋流器的旋流角度等影響因素的基礎上，得到了流場速度的大小和脈動的速度及雷諾應力等一系列參數以及冷態流場在回流區的長度上長于燃燒流場，燃燒火焰流場的脈動速度大于冷態流場等結論。王成軍[73]等人對于不同的葉片數以及第3級的旋流器葉片安裝角設計了相對應的3級旋流器結構，分析了在PIV技術條件下燃燒室流場的特性。

總之，火焰的可視化在國外研究的比較多，在國內卻發展較慢，主要是因為局限于無反應流場以及簡單燃燒流場。在國內，燃燒流場的相關研究才興起，將PIV應用于更為復雜的燃燒流場，尤其能夠結合其它的技術將是以后研究的方向。比如國外開始結合紋影、PLIF等新技術結合PIV去測量更復雜的燃燒流場。

4結語

1）應用PIV的二維2D-3C和三維3D-3C系統可以對管道內瓦斯爆炸流場進行研究;所使用的二維2D-3C和三維3D-3C系統不同于2D-2C技術，其可以對流場的全部三維立體的速度場及管道內的瓦斯爆炸流場去進行研究分析。

2）爆炸流場示蹤粒子的選擇應統一標準，因為流場不同，PIV中用到的示蹤粒子一樣不相同。

3）PIV與紋影和PLIF等一些新技術相結合可測量更復雜的流場。

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（責任編輯：張江）