圓柱體障礙物對密閉管道內(nèi)瓦斯爆炸特性影響的數(shù)值模擬

羅振敏，吳 剛

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué)西部煤礦安全教育部工程研究中心，陜西 西安 710054)

瓦斯爆炸是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。據(jù)徐楓等[1]對2006—2015年間我國煤礦瓦斯事故的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示瓦斯爆炸事故起數(shù)占煤礦事故總數(shù)的比例為53.4%，死亡人數(shù)占比為60.4%。此外，由于井下環(huán)境復(fù)雜，許多機(jī)械設(shè)備即障礙物都會對瓦斯爆炸特性產(chǎn)生極大的影響。針對這一問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者對障礙物對管道內(nèi)瓦斯爆炸特性的影響進(jìn)行了研究。如尉存娟等[2-3]、藺照東等[4]、王成等[5]、王志青等[6]、解北京等[7]分別研究了障礙物的形狀、間距、阻塞比、數(shù)量等因素對管道內(nèi)瓦斯爆炸特性參數(shù)的影響，并對比了各因素對瓦斯爆炸特性參數(shù)的影響程度。但這些障礙物多為平面結(jié)構(gòu)，因此孟璐[8]、丁小勇等[9]研究了不同形狀立體障礙物對水平管道中瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀恍炀暗碌萚10]采用正方體障礙物模擬了不同數(shù)量的礦車對煤礦瓦斯爆炸的激勵效應(yīng)；孟亦飛等[11]模擬研究了大尺寸通風(fēng)管網(wǎng)中障礙物對瓦斯爆炸沖擊波傳播特性的影響；Masri等[12]、Ciccarelli等[13]和Zhou等[14]均通過試驗(yàn)研究了障礙物形狀、阻塞比和間距對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀籐i等[15]則采用數(shù)值模擬的方法研究了障礙物阻塞比和間距對瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀籛ang等[16]采用數(shù)值模擬的方法研究了障礙物存在時瓦斯爆炸的壓縮波與火焰?zhèn)鞑ブg的相互作用機(jī)理。

上述研究多針對平面障礙物，且關(guān)注點(diǎn)多為瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓ｈb于此，本文針對礦井進(jìn)、回風(fēng)巷道處的實(shí)際狀況，選用圓柱體障礙物代表液壓支柱，基于FLACS軟件對置障條件下密閉管道內(nèi)瓦斯爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并選取密閉管道內(nèi)全過程的瓦斯爆炸壓力、最大爆炸壓力、爆炸溫度、最大壓力上升速率等多個瓦斯爆炸特性參數(shù)，分析了圓柱體障礙物的存在對密閉管道內(nèi)瓦斯爆炸特性的影響。

1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

1.1 數(shù)學(xué)與物理模型

FLACS軟件是一款專業(yè)處理氣體泄漏、擴(kuò)散、爆炸與火災(zāi)的安全評估軟件，在其爆炸模塊中采用了多種數(shù)學(xué)方法和手段來計(jì)算結(jié)果并實(shí)現(xiàn)其可視化。具體的數(shù)學(xué)方法和可視化方法可參考文獻(xiàn)[17]。該軟件操作簡單，并經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，本文采用FLACS軟件對置障條件下密閉管道內(nèi)瓦斯的爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

簡化的模擬管道兩端密閉，在x、y、z軸方向上的長度分別為200 m、4 m、4 m，管道內(nèi)充填有濃度為10.5%的甲烷-空氣混合氣體。建立的瓦斯爆炸管道模型見圖1。設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)為其起點(diǎn)，其中點(diǎn)火位置坐標(biāo)為(0.25 m，2.25 m，2.25 m)，點(diǎn)火開始時間設(shè)置為0 s；可燃性氣體充填的范圍為從坐標(biāo)原點(diǎn)到(150 m，4 m，4 m)；在其點(diǎn)火端一側(cè)分別設(shè)置無障礙物、直徑為0.3 m和0.5 m 3個等級的圓柱體障礙物，每排支柱數(shù)為4個，各排之間間距為1.5 m，共20排，延伸的長度為30 m，障礙物分布見圖2。阻塞比指障礙物所占截面面積的比例，經(jīng)計(jì)算其分別為0.3和0.5。

圖1 瓦斯爆炸管道模型Fig.1 Model of gas explosion pipeline

圖2 障礙物分布示意圖Fig.2 Diagram of obstacle distribution

1.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€管道并采用均勻網(wǎng)格劃分，本文設(shè)置x、y、z軸3個方向的網(wǎng)格數(shù)分別為400個、8個、8個。按照文獻(xiàn)[17]的要求，網(wǎng)格的尺寸應(yīng)小于0.1×(Vfuel)1/3，通過計(jì)算可知本文的網(wǎng)格尺寸符合要求。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置不能與網(wǎng)格線重合，最好能放在某一網(wǎng)格的中間位置，因此對照網(wǎng)格劃分的尺寸大小，在橫截面y和z方向上選取的坐標(biāo)為(2.25 m，2.25 m)，在巷道x方向上10.75 m、40.75 m、72.75 m、104.75 m、136.75 m、168.75 m、198.75 m處分別設(shè)置了7個監(jiān)測點(diǎn)，記為P1～P7，這個方向上的監(jiān)測點(diǎn)也設(shè)置在某一網(wǎng)格的中間位置，具體坐標(biāo)位置見圖3。這些監(jiān)測點(diǎn)不但可以用來監(jiān)測本坐標(biāo)位置瓦斯爆炸過程中特性參數(shù)的變化情況，也可以通過各監(jiān)測點(diǎn)之間的對比分析來了解瓦斯爆炸在管道內(nèi)的發(fā)展變化情況。

圖3 網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)示意圖Fig.3 Diagram of grid division and coordinate of the monitoring points

1.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

對于FLACS軟件，針對氣體爆炸的數(shù)值模擬，可設(shè)置所有邊界條件為EULER邊界；設(shè)定的初始條件為常溫常壓、氧氣濃度為20.95%；選取的隨時間變化的變量參數(shù)包括P(爆炸壓力)、PMAX(最大爆炸壓力)、T(爆炸溫度)，VVEC(流場正反向傳播速度)。其中，VVEC包含x、y、z三個方向上的流場傳播速度。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻塞比對瓦斯爆炸壓力的影響

由于管道內(nèi)各處的瓦斯爆炸壓力曲線變化規(guī)律基本相同，故本文只選取管道內(nèi)間隔距離大致相同的P1、P3、P5、P74個監(jiān)測點(diǎn)不同阻塞比下的瓦斯爆炸壓力曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果見圖4。

通過對3個阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯爆炸壓力曲線進(jìn)行比較分析(見圖4)發(fā)現(xiàn)，從爆炸反應(yīng)時間上看，無障礙物時的反應(yīng)時間最長，反應(yīng)時長達(dá)2.5 s左右，其次為阻塞比為0.5時的反應(yīng)時間，阻塞比為0.3時的反應(yīng)時間最短，反應(yīng)時長約1.15 s，但阻塞比為0.5與阻塞比為0.3的反應(yīng)時間相差只有約50 ms，總的來看障礙物的存在使爆炸反應(yīng)時間縮短了一半；從瓦斯爆炸壓力曲線的變化來看，兩種有障礙物情況下瓦斯爆炸壓力上升的速率幾乎一致，而無障礙物時瓦斯爆炸壓力上升的速率則較慢，而在有障礙物條件下，瓦斯爆炸壓力曲線反復(fù)波動的次數(shù)有了很大減少，但瓦斯爆炸壓力值卻有很大上升。這個現(xiàn)象是由于障礙物的存在極大地促進(jìn)了瓦斯爆炸的傳播速度，使得可燃?xì)怏w很快被耗盡，縮短了爆炸反應(yīng)時間，使爆炸過程提早結(jié)束，造成瓦斯爆炸壓力曲線波動次數(shù)減少。但同時也可看到阻塞比為0.3和0.5時瓦斯爆炸過程的劇烈程度并不會出現(xiàn)太大的變化。

圖4 不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯爆炸壓力變化曲線的對比Fig.4 Comparison of explosive pressure variation curves at each monitoring point with different blocking ratios

圖5為不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力曲線的對比。

圖5 不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力曲線的 對比Fig.5 Maximum explosion pressure curves of gas at each measuring point with different blocking ratios

由圖5可見，除P6監(jiān)測點(diǎn)外，障礙物使各監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯最大爆炸壓力都有所提高，而監(jiān)測點(diǎn)P2和P7的瓦斯最大爆炸壓力提高幅度較其他點(diǎn)更大；從數(shù)值的大小上來看，除P2監(jiān)測點(diǎn)外，阻塞比為0.3時各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯的最大爆炸壓力值與阻塞比為0.5時的基本一致，但阻塞比為0.3時的則略大一些，這是由于P2監(jiān)測點(diǎn)恰好處在障礙物位置的結(jié)尾附近，所以在此處阻塞比越大，湍流對此點(diǎn)的影響較其他監(jiān)測點(diǎn)更明顯，而P7監(jiān)測點(diǎn)瓦斯的最大爆炸壓力增幅大的原因主要是此監(jiān)測點(diǎn)在管道末端附近，壓力波在此處出現(xiàn)了多次疊加的結(jié)果。

表1為不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力峰值時間tpmax的對比。

表1 不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力峰值時間tpmax的對比Table 1 Peak time of the maximum explosion pressure of the gas (tpmax) at each monitoring point with different blocking ratios

由表1可知，無障礙物時各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力峰值時間(tpmax)較為混亂，表現(xiàn)為P2和P3監(jiān)測點(diǎn)的tpmax值最小，其余各監(jiān)測點(diǎn)的tpmax值依次減小；而阻塞比為0.3和0.5時的tpmax值在各監(jiān)測點(diǎn)依次減小，這說明了各監(jiān)測點(diǎn)是在壓力波反向傳播時達(dá)到瓦斯爆炸壓力最大值的；對比而言，以阻塞比為0.3時的tpmax時間最短，阻塞比為0.5時的次之，無障礙物時的tpmax時間最長。

2.2 阻塞比對瓦斯爆炸溫度的影響

圖6為不同阻塞比下各監(jiān)測瓦斯爆炸溫度變化曲線的對比。

圖6 不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯爆炸溫度曲線的對比Fig.6 Comparison of gas explosive temperature variation curves at each monitoring point with different blocking ratios

由圖6可見，所有監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯爆炸溫度一開始都保持在室溫，到某時刻出現(xiàn)突然的升高，而這一突變出現(xiàn)時刻沿各監(jiān)測點(diǎn)都略有推遲，出現(xiàn)瓦斯爆炸溫度突變的原因是火焰經(jīng)過了此點(diǎn)，而突變點(diǎn)的延遲說明了火焰是逐漸向前傳播的；P1、P3、P5監(jiān)測點(diǎn)在3種阻塞比下瓦斯的最高爆炸溫度接近，而P7監(jiān)測點(diǎn)在阻塞比為0.3和0.5時瓦斯的最高爆炸溫度比無障礙物時要高出許多，且該監(jiān)測點(diǎn)在無障礙物條件下瓦斯爆炸溫度突變點(diǎn)的增長速率較低；無論哪種阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯的最高爆炸溫度依次下降，說明火焰在傳播過程中存在能量的損耗，但P7監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最高爆炸溫度下降的幅度最大，說明火焰并未到達(dá)此點(diǎn)，而瓦斯爆炸溫度升高的主要原因應(yīng)該是熱對流和熱輻射。

圖7為不同時刻各阻塞比下瓦斯爆炸火焰的對比圖，圖中縱向的7條虛線從左往右依次為P1～P7監(jiān)測點(diǎn)的位置。

圖7 不同時刻各阻塞比下瓦斯爆炸火焰對比圖Fig.7 Comparison diagram of gas explosion flame at different times with different blocking ratios

由圖7可見，無障礙物時的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ピ?.92 s時才能到達(dá)阻塞比為0.3和0.5時火焰?zhèn)鞑?.89 s時所到的位置，而且瓦斯爆炸溫度也較后兩種情況小；而后兩種情況下各監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯爆炸溫度基本相同，在P6監(jiān)測點(diǎn)附近也都呈現(xiàn)為郁金香火焰的形狀，郁金香火焰形狀也是瓦斯爆炸發(fā)展到一定程度才會出現(xiàn)的現(xiàn)象，而這種形狀在無障礙物時不明顯。與瓦斯爆炸溫度相關(guān)的這些狀況都表明了障礙物對瓦斯爆炸的促進(jìn)作用。

2.3 阻塞比對其他瓦斯爆炸特性參數(shù)的影響

圖8為不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力上升和下降速率曲線的對比。

圖8 不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力 上升和下降速率曲線的對比Fig.8 Comparison of rise and fall rate curves of the maximum explosion pressure of the gas at each monitoring point with different blocking ratios

由圖8可見，不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯最大爆炸壓力上升和下降速率曲線的變化規(guī)律一致；但在P2和P7監(jiān)測點(diǎn)兩曲線差異最為明顯，其中P2監(jiān)測點(diǎn)位于障礙物的結(jié)尾處附近，而P7監(jiān)測點(diǎn)處于管道的末端，各壓力波的疊加效果較其他各監(jiān)測點(diǎn)要大得多；在P2～P6監(jiān)測點(diǎn)范圍內(nèi)，障礙物對瓦斯最大爆炸壓力上升速率的影響程度要比瓦斯最大爆炸壓力下降速率的大，這說明障礙物的促進(jìn)作用主要集中在瓦斯爆炸反應(yīng)從開始到最劇烈的的上升階段內(nèi)，而較少作用在其減弱階段。

圖9為不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯流場正向和反向最大速度曲線的對比。

圖9 不同阻塞比下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯流場正向和反向 最大速度曲線對比Fig.9 Comparison of maximum velocity curves of the gas flow field forward and backward at each monitoring point with different blocking ratios

由圖9可見，瓦斯流場正向最大速度曲線在各阻塞比情況下的變化規(guī)律是一致的，表現(xiàn)為前6個監(jiān)測點(diǎn)流場正向最大速度一直上升，到達(dá)P7監(jiān)測點(diǎn)下降；而瓦斯流場反向最大速度曲線在無障礙物時的變化規(guī)律與其他兩種阻塞比情況下存在差別，表現(xiàn)為P3監(jiān)測點(diǎn)瓦斯流場反向最大速度開始減小，說明障礙物的存在雖然增大了瓦斯的爆炸壓力，加劇了反應(yīng)程度，但同時也縮短了爆炸反應(yīng)時間，使各壓縮波重疊時間縮短，在反向傳播到P6監(jiān)測點(diǎn)時就已經(jīng)無后續(xù)沖擊波的補(bǔ)充；而無障礙物時這一過程則延續(xù)到P2監(jiān)測點(diǎn)。這一過程也可以解釋圖8中瓦斯最大爆炸壓力上升和下降速率在P6和P7監(jiān)測點(diǎn)變化大的現(xiàn)象。

3 結(jié)論與建議

本文通過FLACS軟件模擬分析了密閉管道內(nèi)有、無障礙物時不同阻塞比情況下瓦斯的爆炸過程，得到以下結(jié)論：

(1) 障礙物的存在對瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ゾ哂泻艽蟮拇龠M(jìn)作用，但阻塞比對其爆炸反應(yīng)劇烈程度的影響較小，對比而言，阻塞比為0.3較0.5時的促進(jìn)作用略大一些；同時障礙物的存在也使瓦斯爆炸壓力反復(fù)波動的次數(shù)大大減少。

(2) 從瓦斯最大爆炸壓力來看，阻塞比越大，湍流對障礙物結(jié)尾附近處的影響較其他位置就越明顯；障礙物的存在同樣也會使管道末端附近的瓦斯爆炸壓力出現(xiàn)很大的上升。

(3) 障礙物的存在在加劇瓦斯爆炸反應(yīng)程度的同時卻縮短了爆炸反應(yīng)時間，致使各壓縮波重疊時間縮短，從而引起瓦斯流場在反向傳播時較早出現(xiàn)流場反向最大速度下降趨勢，但其依然大于無障礙物時的流場反向最大速度。

本文僅考慮了阻塞比為0、0.3、0.5的三種情況，其他阻塞比下各瓦斯爆炸特性參數(shù)的變化規(guī)律是否服從此規(guī)律，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。另外，本試驗(yàn)的初始條件是常溫常壓且可燃?xì)怏w僅為甲烷氣體，還需要進(jìn)一步探究在井下實(shí)際溫度以及多種可燃?xì)怏w組分狀況下障礙物對管道內(nèi)瓦斯爆炸特性的影響，這將是今后的研究方向。