受限空間內瓦斯爆炸障礙物附近流場結構演化實驗研究*

劉夢杰，徐景德，張延煒，秦漢圣，楊滿江，李偉光

(1.華北科技學院， 廊坊 065201；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

甲烷作為自然界一種常見的烷類氣體，在日常生活和工業中都有廣泛應用。同時甲烷也是礦井瓦斯主要成分，瓦斯爆炸事故的元兇。煤礦井下設備復雜，巷道內不可避免存在礦車、液壓支架、風機等障礙物。障礙物存在使得其附近流場演化更加復雜，對瓦斯爆炸形成激勵效應，增大了事故破壞性。因此，研究受限空間內瓦斯爆炸障礙物附近流場結構演化，對剖析障礙物對瓦斯爆炸激勵效應機制有著十分重要的意義，對于降低事故破壞性和事故調查具有指導性意義。

國內外學者對于障礙物對氣體爆炸特性影響也展開了大量相關研究：張增亮通過實驗研究發現不同孔型板狀障礙物對甲烷空氣預混氣爆炸存在不同影響[1]，其中三角形影響最大。景國勛通過實驗研究置障條件下不同分岔角度管道中瓦斯爆炸壓力變化規律發現[2]，不同形狀障礙物對不同角度分叉管影響不同。李國慶通過改變障礙物形狀和可燃氣體濃度研究發現[3]，障礙物形狀對氣體爆炸影響小于氣體濃度對爆炸影響。徐景德通過實驗、數值模擬及理論研究對障礙物激勵效應進行了理論總結[4-6]。于高明通過研究障礙物放置方式[7]，發現交錯放置比平行放置影響更大。王磊利用數值模擬手段[8]，研究了球形和方形兩種形狀障礙物對瓦斯爆炸影響，發現障礙物誘導作用大于反射波壓力作用，加速了火焰鋒面傳播能力。Qin Yi 通過數值模擬研究發現[9]，障礙物對瓦斯爆炸具有激勵效應，激勵效應隨著障礙物數量增加而增強。Damir通過理論分析和數值模擬研究發現圓柱形障礙物對于火焰加速最為明顯[10]，且火焰加速存在上限。Vadim通過數值模擬研究發現障礙物間距和數量對預混氣爆炸激勵效應有明顯的影響[11]。

目前關于障礙物對瓦斯爆炸影響研究主要集中于障礙物對湍流的影響；以及障礙物類型、間距、數量和擺放方式對瓦斯爆炸激勵效應影響，對于障礙物激勵效應的機制和障礙物對波系演化影響研究較少。且實驗探究大部分采用傳感器作為測試手段，對障礙物附近可視化流場研究較少，使用激光紋影手段可以較為直觀的觀察爆炸流場變化。所以，采用激光紋影研究受限空間內瓦斯爆炸障礙物附近流場結構演化，通過流場演化分析瓦斯爆炸激勵效應機理十分有必要。

1 障礙物對瓦斯爆炸激勵效應機理分析

密閉管道內瓦斯爆炸由于尾端對激波反射作用，使得激波在管道內周期性震蕩，流場變化復雜。障礙物加入，障礙物附近流場產生明顯變化，管道內流場變化更加復雜。基于瓦斯爆燃的兩波三區理論、激波運動理論、湍流火焰模型就障礙物對瓦斯爆炸激勵效應進行機理分析。障礙物對瓦斯爆炸火焰傳播激勵效應主要基于三個方面：(1)障礙物的存在阻礙氣流和激波傳播，激波抵達障礙物時一部分陣面發生反射沿原先相反方向傳播、一部分陣面繼續沿原先方向傳播。激波運動過程中造成湍流度上升，化學反應速率加快，火焰加速。(2)障礙物存在使得管道變為一個變徑管，氣流通過障礙物段時產生渦旋，使得障礙物附近流場湍流度上升且火焰經過此段時會產生射流效果使得火焰加速。瓦斯爆炸過程中甲烷并未完全參與化學反應，瓦斯爆炸過后存在剩余瓦斯和結焦。障礙物存在使得化學反應加速，更多甲烷氣體參與反應，反應更加完全，反應產生更多能量。(3)障礙物反射激波陣面抵達火焰峰面處，與火焰鋒面發生相互作用，造成RM(Richtmyer-Meshkov)不穩定[12]；由于流場密度不均，使得RT(Rayleigh-Taylor)不穩定產生，加劇火焰失穩造成火焰加速[13,14]。

2 實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

本實驗采用中尺度爆炸管路(圖1)，由聚對苯二甲酰對苯二胺材質圓管點火端(長750 mm、內徑150 mm)和方形可拆卸管道(內截面為200 mm×200 mm)組成?？傞L17.05 m，沿管道于上壁面和側壁面設置壓力火焰傳感器，管路9.05m處設有直徑為250 mm的K9玻璃觀察窗。爆炸超壓測試選用美國PCB公司ICP壓電傳感器(型號為M113A24)進行壓力測量，最大量程6.9 MPa，線性滿足≤1%FS，諧振頻率≥500 KHz，上升時間≤1 μs。采集頻率和量程均滿足瓦斯爆炸測量需求?；鹧鏈y量系統為自行研制，由光電信號轉換器(光電二極管，型號為GT-101，中電集團重慶第44研究所)將火焰的光信號轉換為電信號，然后再導通包含分壓電阻的電路，利用AD卡記錄電阻的分壓信號。通過火焰產生亮度記錄火焰出現及強度。數采系統使用東華公司 DH8302用于進行壓力、火焰信號采集分析。點火系統采用自制脈沖式點火器實現高壓放電產生火花，通過同步裝置輸入TTL電平觸發，引燃激波管內的預混氣。紋影系統采用Z字型光路，紋影儀為兩個凹球反射鏡(直徑260 mm、f=2.6 m)，脈沖激光光源采用紅寶石激光器(波長694.3 nm，激光強度5 W)，相機使用加拿大mega speed公司相機(型號ms70k)，每秒鐘可采集5000張圖像滿足紋影捕獲激波、火焰要求。整個系統由同步系統串聯為一個整體，通過同步系統輸出TTL電平觸發點火裝置和數據采集裝置。

圖 1 實驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus

2.2 工況設置

障礙物采用實心長方體鋼塊(長115 mm、寬115 mm、高75 mm)阻塞率為21.56%。本實驗采用3種工況。

工況1全管道充入9.5%濃度甲烷-空氣預混氣(當量比=1)點火能量255mJ，模擬井下長直巷道內瓦斯爆炸。沿管道在2 m、4.5 m、7.3 m、8.75 m、9.35 m、10.8 m、13.3 m、15.8 m處分別設置壓力、火焰傳感器。紋影拍攝位置為觀察窗處(距點火端9.05 m)。

工況2和工況3分別在工況1的基礎之上在觀察窗處(9.05 m)設置一個的障礙物和兩個障礙物，模擬井下礦車存在時瓦斯爆炸。見圖2。

圖 2 工況示意圖Fig. 2 Schematic diagram of working conditions

2.3 實驗方法

(1)配制預混氣：根據Dalton分壓定律將甲烷和空氣分別充入預混氣罐，配制完成之后罐內預混8～12 h，保證預混充分。

(2)障礙物設置：將實驗段管道拆開，放入障礙物后封閉管道檢測氣密性。

(3)進氣：對全管道進行抽真空操作后充入1 atm預混氣體。

(4)點火：將點火器電壓調整至15 kV，通過同步系統控制同時觸發點火系統、壓力采集系統、火焰信號采集系統和高速相機。實現點火及數據采集。

3 實驗結果分析

3.1 激光紋影圖像分析

圖3為工況1激波火焰紋影圖像。由圖3可見396.8 ms由尾端反射的一道激波經過觀察窗。404 ms火焰首次到達觀察窗，火焰明顯呈現變形Tulip形態。形成此形態火焰主要是由于火焰和激波相互作用、DL(Darrieus-Landau)不穩定性和Taylor不穩定、已燃氣體的渦旋運動等相互作用導致。因為流場中存在多道激波，在多道激波作用情況下，火焰形態不斷變化。運動激波后氣體存在伴隨運動，隨著多道激波經過觀察窗，觀察窗處流場流動方向由向尾端流動轉為向點火端流動。隨著流場向點火端處流動速度增加，火焰也呈現由減速逐漸轉向回流的情況。由圖3也可明顯觀察到407.2 ms時火焰前鋒到達觀察窗中部，隨著流場流動速度大于火焰傳播速度，于419.8 ms火焰完全退至觀察窗之前。432.2 ms火焰重新傳播至觀察窗，此時一道激波運行至火焰前鋒之前，435.2 ms火焰與激波相遇后出現回流。由于火焰鋒面前后氣體密度存在差異，激波與火焰相遇后發生RM(Richtmyer-Meshkov)不穩定。在435.2 ms圖像中明顯觀察到由于界面擾動產生的“釘”、“泡”結構。在此基礎上火焰進一步失穩發生KH(Kelvin-Helmholtz)不穩定，火焰對未燃氣體進行卷吸，使得火焰加速。

注：圖中激波均為向右移動。點火端位于右側。圖中紅色為火焰前鋒邊界圖 3 激光紋影圖像(工況1)Fig. 3 Laser schlieren image(condition 1)

由圖4可見激波通過障礙物區域時，激波的繞射和反射。由186.2 ms圖像可見激波陣面已近發生畸變，但此陣面在傳播過程中由于壁面約束作用，會逐漸恢復為平面激波。經過障礙物反射后激波陣面向相反方向傳播，障礙物反射激波在傳播過程中不斷對氣流擾動。由于反射激波陣面位于界面下方，使管內氣流上部和下部流速和壓力出現不均衡。使得障礙物周圍流場內湍流度急劇上升。點火端反射激波經過障礙物反射后會向火焰鋒面方向傳播，最終與火焰鋒面相遇，對火焰鋒面造成擾動。同時波后氣流在經過障礙物時產生渦團，使得障礙物附近湍流度上升。由圖4可以觀察到396.2 ms在火焰未到達障礙物時，火焰就發生了銳角化形變，火焰上偏移。觀察400.2 ms圖像，面向障礙物的火焰下端出現向內凹陷，火焰褶皺數量明顯增加。402.4～403.4 ms火焰前鋒經過障礙物，觀察圖像發現過障礙物后火焰出現向下內卷，火焰失穩造成湍流加劇使得火焰前鋒陣面褶皺增大。同時此段可以視作一個突擴管結構，形成射流。使得火焰進一步加速。對比工況1和工況2激光紋影圖像發現，障礙物加入使得激波在障礙物處發生反射和繞射，使瓦斯爆炸流場紊亂產生多道激波陣面和橫波?；鹧娴诌_障礙物處發生拉伸和形變火焰褶皺增多，增大火焰鋒面面積，使得火焰失穩加速。

注：箭頭方向為激波運動方向圖 4 激光紋影圖像(工況2)Fig. 4 Laser schlieren image(condition 2)

由圖5工況3激波火焰相互作用圖可見激波陣面經過第一個障礙物后，已經不是一個完整陣面。激波在第一個障礙物尾端產生馬赫反射生成弧形沖擊波，經過第二個障礙物時繼續在邊角位置發生馬赫反射使得流場內波系進一步紊亂，障礙物間沖擊波陣面發生交叉，產生多道錯亂波系。波后氣流流經障礙物時在障礙物周圍明顯可以觀察到渦團產生。由圖5可見，工況3經過第一個障礙物時火焰形變與工況2類似，在火焰未到達障礙物時，火焰就發生了銳角化形變，火焰向上偏移，面向障礙物的火焰下端出現向內凹陷。387.6～388.4 ms火焰前鋒經過第一個障礙物，在第一障礙物后火焰發生向下內卷，火焰充入兩障礙物間隙?；鹧驿h面在389.2 ms抵達第二個障礙物，攜帶著火焰內卷趨勢加速通過第二個障礙物。第二個障礙物的存在增大了此處激勵效應，使得火焰加速噴射出障礙物區域。對比工況2和工況3激光紋影圖像，相較于單一障礙物，兩個障礙物存在使得流場更加紊亂。隨著障礙物數量增加，火焰褶皺面積增大，化學反應加速，火焰加速傳播。

3.2 壓力、火焰傳感器信號分析

由圖6可見，工況1未加入障礙物的空載管道P4點壓力圖像。管道內瓦斯爆炸，由于管道封閉，沖擊波在管道內不斷反射，使得管道內壓力不斷震蕩。瓦斯爆炸首先產生一道前驅沖擊波a，后續由于火焰熱輻射形成的一道壓縮波b。經過尾端盲板反射后前驅沖擊波c和壓縮波d由尾端繼續向點火端傳播。這兩道反射波性質上都屬于壓縮波，無論從哪個方向經過該點都會使得壓力上升。反射波經過前端點火端反射和火焰作用后波形更加復雜紊亂，使得管道內壓力震蕩更加劇烈。主要是因為：(1)點火端直徑與管道不同，經過點火端反射后首先出現一個類環形激波，后續反射一個圓面激波。類環形激波發生激波聚焦，重新發展為一個平面。圓面激波因為管壁約束作用，隨著向前傳播也會重新發展為一個平面，這就由一道激波陣面衍生出兩道激波陣面。(2)激波與火焰陣面相互作用，激波由已燃氣體穿過火焰峰面進入未燃氣體時，由于已燃氣體密度低未燃氣體密度高。激波發生一個透射和一個反射，這兩道波均為激波。這就產生多道激波使得波系進一步紊亂。進而解釋了壓力圖像由“突躍-緩降”轉變為“起伏不定”的原因。

注：箭頭方向為激波運動方向圖 5 激光紋影圖像(工況3)Fig. 5 Laser schlieren image(condition 3)

圖 6 P4傳感器壓力信號(工況1)Fig. 6 Pressure signal of P4 sensor(condition 1)

圖7為各測點最大超壓圖，由圖像可見，障礙物之前三個工況最大超壓基本一致，障礙物之后不同工況超壓情況出現明顯差異。未加障礙物管道最大超壓一直呈現上升趨勢；加入障礙物后最大超壓在P7傳感器處達到最大值，在尾端呈現下降趨勢。

由圖8可見，在爆炸初期，壓力曲線基本一致。隨著火焰傳播至障礙物附近位置，加入障礙物的壓力曲線起伏波動更加劇烈，隨著障礙物增加波動程度增大；超壓上升明顯增大。結合火焰圖像分析，火焰經過障礙物后失穩，前鋒陣面面積增大，化學反應加快產生更多能量使得障礙物后超壓上升，隨著障礙物數量增加，湍流度上升，火焰進一步失穩加速，使得化學反應加快產生更多能量導致壓力進一步上升。隨著火焰傳播，障礙物對瓦斯爆炸的激勵效應逐漸減弱?；鹧嫠俣冉档停瘜W反應減弱，產生超壓降低，逐漸趨近未加障礙物條件。

圖 7 測點最大超壓Fig. 7 Maximum overpressure at measuring

圖 8 不同工況尾端壓力曲線Fig. 8 Tail pressure curves under different working conditions

圖9為工況1、2火焰速度圖，V1為F1-F2之間平均速度、V2為F2-F3間平均速度以此類推，可見加入障礙物后火焰傳播速度出現明顯變化。在障礙物附近火焰傳播速度明顯上升，在傳感器F3-F6傳感器間出現明顯加速，對比工況1和工況2，工況2的F3-F4間平均速度為46.819 m/s，相對工況1增長155.1%。F4-F5傳感器間平均速度為56.926 m/s，增長483.7%,F5-F6平均速度30.571 m/s，增加67.5%。障礙物對于火焰傳播激勵效應主要作用于障礙物前后區間。且經過障礙物后速度逐漸恢復為未加障礙物水平。

圖 9 工況1、2火焰速度圖Fig. 9 Flame velocity diagram in conditions 1 and 2

表1為不同障礙物條件下壓力火焰特征，由表1可見隨著障礙物數量增加最大壓力呈上升趨勢。未加障礙物管道內瓦斯爆炸最大超壓為128.503 kPa。加入一個障礙物后最大超壓達到172.071 kPa，相比工況1增長32.3%。加入兩個障礙物時最大超壓達到228.808 kPa相對工況2超壓增長33.0%；相對工況1增長78.1%。工況1最大火焰傳播速度為26.425 m/s，加入一個障礙物的工況2火焰傳播速度為56.926 m/s，相對工況1最大火焰傳播速度增加115.4%。加入兩個障礙物的工況3最大火焰傳播速度為69.505 m/s，相對工況1最大火焰傳播速度增長163.0%，相對工況2最大火焰傳播速度增長16.0%。可見，加入障礙物后瓦斯爆炸最大超壓和最大火焰傳播速度都有了顯著提升，且隨著障礙物數量增加最大超壓和最大火焰傳播速度也持續增加。障礙物加入使得瓦斯爆炸更具破壞性，隨著障礙物數量增加瓦斯爆炸破壞性上升。

表1 壓力火焰特征Table 1 Characteristics of pressure flame

4 結論

(1)激波在障礙物處發生反射和繞射，使瓦斯爆炸流場紊亂產生多道激波陣面和橫波?；鹧娴诌_障礙物處發生拉伸和形變火焰褶皺增多，增大火焰鋒面面積，使得火焰失穩加速。增加障礙物數量導致波系進一步紊亂，火焰形變加劇。

(2)障礙物存在使瓦斯爆炸最大超壓和最大火焰傳播速度上升。隨著障礙物增加，激勵效應增強。障礙物對瓦斯爆炸激勵效應主要作用于障礙物周圍區間，隨著障礙物數量增加，激勵效應影響區間增大。

(3) 在實際生產過程中，應減少避免巷道中障礙物尤其是多個障礙物隊列式分布存在，以降低事故危險程度。在事故調查之中可以通過瓦斯爆炸對巷道毀傷判斷障礙物參與情況及火源位置。