不同熱效應時的瓦斯爆炸熱沖擊作用分析

2022-09-14 03:58:34王維建賈真真李淑娟張浩浩丁文學

中國礦業 2022年9期

王維建，賈真真，葉青，李淑娟，張浩浩，丁文學

(1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南湘潭 411201；2.興義民族師范學院物理與工程技術學院，貴州興義 562400)

0 引言

就本質而言，煤礦瓦斯爆炸是一定濃度的瓦斯和空氣中的氧相互作用產生的劇烈氧化反應[1-3]。支持火焰不斷向前傳播的能量來自于未燃氣體混合物與火焰鋒面劇烈的熱質交換引發的化學反應，這對于瓦斯燃燒初期非常重要[4-6]，如果此時壁面的散熱消耗了部分化學反應釋放的能量，就會減慢火焰傳播速度，甚至使火焰熄滅。瓦斯爆炸過程中的產物都是熾熱高溫物質，在這種情況下，一部分爆炸過程中所釋放出來的熱量就會通過熱傳導、熱對流、熱輻射等方式傳遞給壁面，以致減少了向未燃混合氣體傳遞的熱量，從而在一定程度上影響火焰傳播速度，減弱爆炸強度。為了安全起見，以往的實驗通常采用耐壓值較高、壁厚較大的鋼質管道。然而，鋼質管道良好的導熱性能以及較高的熱容量使得管道壁面熱損失更為明顯[7-9]。相反，如果能夠減少壁面散熱量，則支持沖擊波傳播的能量就越多，其傳播速度和超壓也就越大，化學反應速率越高，爆炸強度大幅增強[10]。壁面熱效應會對瓦斯爆炸強度產生較大影響[8]，但是不同熱效應時的瓦斯爆炸熱沖擊作用等需要深入分析。同時，LS-DYNA軟件能很好地解決巷道壁面熱沖擊作用問題。因此，針對現有研究的不足，本文通過改變管道的導熱系數，分析在不同導熱系數條件下的管道受熱沖擊效應后的溫度場分布、熱應力分布情況，以及管道熱應力峰值和徑向位移峰值，以期對瓦斯爆炸的認識有一定幫助，對瓦斯爆炸災害的防治有一定的裨益。

1 數值模擬

1.1 數學模型

ANSYS/LS-DYNA程序的主要算法采用Lagrangian描述增量法。取初始時刻的質點坐標為Xi(i=1,2,3)，在任意t時刻，該質點坐標為xi(i=1,2,3)。這個質點的運動方程見式(1)[4,11-12]。

xi=xi(Xi,t)i′j=1,2,3

(1)

在t=0時，初始條件見式(2)和式(3)。

xi(xj,0)=Xi

(2)

(3)

式中，Vi為初始速度。

1) 動量方程計算見式(4)。

(4)

2) 質量守恒方程計算見式(5)。

ρV=ρ0

(5)

3) 能量方程計算見式(6)，用于狀態方程和總的能量平衡計算。

(6)

偏應力Sij與壓力p表達式見式(7)和式(8)。

Sij=σij+(p+q)σij

(7)

(8)

1.2 物理模型的建立

本文引入TNT當量法模擬瓦斯爆炸，由于本次數值模擬是瓦斯爆炸熱沖擊效應下的管道內瓦斯爆炸，因此對于管道材料，選用*MAT_ELASTIC_ PLASTIC_ THERMAL。該材料本構模型為熱彈塑性材料模型，可以定義溫度相關的材料系數。

為了能夠更直觀地研究瓦斯爆炸產生的熱沖擊效應對管道壁面產生的影響，將熱荷載施加到管道壁面上。本文所進行熱分析的三維管道有限元模型如圖1所示，施加熱荷載的節點如圖2所示。采用四邊形單元形式對管道模型進行映射網格劃分[11-12]。因此，設置單元尺寸大小為0.002 m。為了分析管壁在瓦斯爆炸作用下的溫度場以及瞬態熱應力變化，忽略其化學反應中間的詳細過程[8,13]，對管道模型進行一些合理的基本假設：①管道內只有瓦斯爆炸熱源存在；②設置管道厚度沿環向和長度分布均勻并穩定，環境溫度為T0=25 ℃；③管道材料為各向同性的均勻彈性體，忽略其他因素對管道的應力影響；④設置其初始溫度為環境溫度，不考慮對流換熱和熱輻射效應，管道內壁面上有熱流輸入。

圖1 三維管道模型Fig.1 Diagram of 3D pipe model

圖2 施加熱荷載節點圖Fig.2 Schematic diagram of thermal load node

2 模擬結果分析

瓦斯爆炸發生后，爆炸產生的熱量通過熱傳導、熱對流和熱輻射等方式進行傳熱，管道壁面在承受熱荷載后，管道內部溫度場、熱應力場也隨之發生改變。為了研究在管道不同導熱系數下瓦斯爆炸熱沖擊對管道溫度場、應力場的變化規律，利用圖1模型，改變管道導熱系數進行數值模擬研究。由于在600 ℃以下，各類鋼的導熱系數基本在16～45 W/(m·K)范圍內，隨著溫度的提高，導熱系數增大。因此本文管道的導熱系數分別設置為15 W/(m·K)、30 W/(m·K)、45 W/(m·K)、60 W/(m·K)。其中，導熱系數為15 W/(m·K)時，進行數值模型驗證，驗證結果表明該模型是有效可靠的(由于篇幅限制，本文省略模擬圖和實測對比圖等)。

2.1 瓦斯爆炸熱沖擊效應對管道溫度場影響

圖3～圖5為三種導熱系數，即30 W/(m·K)、45 W/(m·K)、60 W/(m·K)的不同時刻管道溫度場分布圖。從圖3～圖5可以看出，管道內壁溫度始終是最高的，出現此種現象的原因在于管道內瓦斯爆炸后，產生高溫氣體在瞬間對管道內壁進行作用，即對管道壁面的熱沖擊效應。管道壁面是第一時間受到熱沖擊效應的載體，之后通過熱傳導等方式向管內氣體和管道其他部分進行傳熱。參照模型驗證過程的時間點，本文選取0.1 s、0.3 s、2 s、5 s四個時間點。在0.1 s時刻，整個管道除了內壁及相鄰部分，其余大部分溫度與環境溫度相一致，同時

圖3 導熱系數為30 W/(m·K)時的管道溫度場分布圖Fig.3 Distribution of temperature field of pipe with thermal conductivity of 30 W/(m·K)

圖4 導熱系數為45 W/(m·K)時的管道溫度場分布圖Fig.4 Distribution of temperature field of pipe with thermal conductivity of 45 W/(m·K)

圖5 導熱系數為60 W/(m·K)時的管道溫度場分布Fig.5 Distribution of temperature field of pipe with thermal conductivity of 60 W/(m·K)

可以明顯看出內壁面和整個管道的溫差較大，這是由于在短時間內瓦斯爆炸產生的熱能沒有及時通過管道壁面往外傳遞和散熱。在之后的時間里，隨著熱傳導的進行，管道內壁熱量徑向傳播，在后續時刻圖中可以看出較為明顯的逐層進行傳遞，同時管道內壁面溫度，呈逐漸降低，而最外層壁面溫度逐漸上升。

根據圖3～圖5得出的四個時刻下的管壁溫度見表1。從表1可以看出，隨著管道的導熱系數的增大，每個時刻下管道內壁溫度隨之減小。通過求平均值的方法得出三種導熱系數下管道每0.1 s的溫度平均變化值，導熱系數30 W/(m·K)時為101.727 9 ℃、導熱系數45 W/(m·K)時為240.586 6 ℃、導熱系數60 W/(m·K)時為373.762 0 ℃，該數值在一定程度上可以表現出管道內瓦斯爆炸熱沖擊作用在管道內壁后的散熱快慢，所得數值隨導熱系數的增加逐漸上升，其壁面散熱能力也隨之變強。

表1 管道內壁溫度Table 1 The temperature of the inner wall of the pipe 單位：℃

2.2 瓦斯爆炸熱沖擊對管道熱應力場影響

瓦斯爆炸產生的高溫高壓致使管道受熱沖擊作用，管道承載熱沖擊過程隨著一定時間變化，由于整個管道受熱不均，不同半徑處管道溫度不一，存在一定的溫度差異，從而各處膨脹變形或收縮變形不一致，高溫區產生壓縮熱應力，低溫區產生拉伸熱應力，管道的材料屬性在一定程度上對熱應力的大小產生影響。本文設置的三種導熱系數在不同時刻的管道徑向熱應力場如圖6和7所示。由圖6可知，在1 s時刻，導熱系數30 W/(m·K)、45 W/(m·K)、60 W/(m·K)條件下的管道徑向熱應力峰值分別為39.08 MPa、58.16 MPa、76.59 MPa。由圖7可知，在5 s時刻下，管道導熱系數30 W/(m·K)、45 W/(m·K)、60 W/(m·K)條件下管道徑向熱應力峰值分別為182.1 MPa、260.6 MPa、332.0 MPa。三種導熱系數下的管道徑向熱應力分布區域大致相同，基本都

圖6 1 s時刻三種導熱系數的管道熱應力分布圖Fig.6 Diagram of thermal stress distribution of three kinds of thermal conductivity at 1 s

圖7 5 s時刻三種導熱系數的管道熱應力分布圖Fig.7 Diagram of thermal stress distribution of three kinds of thermal conductivity at 5 s

呈現沿管道兩側壁面增大的趨勢，且隨熱傳導的進行，管道熱應力峰值也逐漸增大。在管道其余參數不變的情況下，管道導熱系數的改變，使得在承受來自瓦斯爆炸所產生的熱沖擊效應后，對管道內部產生的熱應力影響較大，管道內部在不同時刻下的熱應力峰值隨導熱系數的增加而出現增大趨勢。表2為三種導熱系數下管道受瓦斯爆炸熱沖擊效應而產生的徑向位移峰值數據。由表2可知，隨著導熱系數的增大，管道的徑向位移峰值也出現增大趨勢。