激波管中水對(duì)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的影響

王連聰,羅海珠,梁運(yùn)濤

(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110016)

激波管中水對(duì)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的影響

王連聰,羅海珠,梁運(yùn)濤

(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110016)

為揭示水對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律,運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析方法,建立了描述激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型,就激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過(guò)程中水對(duì)爆炸溫度、沖擊波速度、反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)、自由基摩爾分?jǐn)?shù)及主要致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究與對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi),隨著初始混合氣體中水含量的升高,激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸后,爆炸溫度、沖擊波速度,以及O自由基、H自由基、CO、NO和NO2等的摩爾分?jǐn)?shù)均依次降低,而CO2的摩爾分?jǐn)?shù)則依次升高。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)混合氣體中含水量的增加,會(huì)降低瓦斯爆炸強(qiáng)度,促進(jìn)CO2的生成,抑制CO,NO及NO2等有毒有害氣體的生成,尤其對(duì)H自由基和O自由基的抑制作用最為顯著。

瓦斯爆炸;反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性;激波管;爆炸力學(xué)

瓦斯爆炸是煤礦礦井災(zāi)害中最為常見(jiàn)的災(zāi)害之一,嚴(yán)重威脅著井下工作人員的生命安全,制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展,給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的威脅。瓦斯爆炸事故不僅造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1],而且也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境破壞和不良的社會(huì)影響[2]。

瓦斯爆炸經(jīng)歷燃燒、爆燃到爆轟的全過(guò)程,主要形式是有焰燃燒和爆炸沖擊波。瓦斯爆炸在瓦斯?jié)舛确植肌⒁绞胶蛷?qiáng)度極限、空間幾何特性及尺寸效應(yīng)等條件確定后,會(huì)從爆燃過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z過(guò)程[3]。爆轟波一旦形成,由于爆轟波后面壓力非常高,可使未燃混合氣體著火。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后,正?；鹧?zhèn)鞑ヅc爆轟波引起的燃燒合二為一。于是,爆轟波傳播到哪里,哪里的混合氣體就著火,火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c爆轟波速度相同。爆轟波后的已燃?xì)怏w又連續(xù)向前傳遞一系列的壓縮波,并不斷提供能量以阻止爆轟波強(qiáng)度的衰減,從而得到穩(wěn)定的爆轟波。由于爆轟過(guò)程中出現(xiàn)的爆轟波的爆轟溫度、爆轟壓力和爆轟波傳播速度的量級(jí)較爆燃更高,因此瓦斯爆轟對(duì)于煤礦礦井的破壞效應(yīng)要比爆燃大得多[4]。雖然學(xué)者們對(duì)瓦斯爆炸的預(yù)防及控制進(jìn)行了不少研究,并起到了一定的作用,但瓦斯爆炸事故還是時(shí)有發(fā)生。這說(shuō)明還有許多本質(zhì)的東西還沒(méi)有被認(rèn)識(shí)[5],對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中存在的許多科學(xué)問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究并加以解決[6]。鑒于此,筆者根據(jù)初始混合氣體中水含量的不同,就激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過(guò)程中水對(duì)混合氣溫度、沖擊波傳播速度、反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)、活化中心摩爾分?jǐn)?shù)、主要致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)等變化趨勢(shì)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究分析,以期從反應(yīng)機(jī)理角度為預(yù)防與抑制瓦斯爆炸提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 物理模型

激波管是一種用于分析可反應(yīng)氣體化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置。在激波管中,通過(guò)一層薄膜將整個(gè)管道劃分為高壓區(qū)域(誘導(dǎo)氣體)和低壓區(qū)域(可反應(yīng)氣體)。高壓區(qū)域氣體發(fā)生爆炸時(shí)形成的沖擊波將薄膜沖破,向可反應(yīng)氣體方向傳播,提高其壓力和溫度,誘發(fā)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而使可反應(yīng)氣體發(fā)生爆炸[7]。激波管的物理模型如圖1所示。

圖1 激波管示意Fig．1 The schematic diagram of shock tube

2 數(shù)學(xué)模型

為描述激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性,做如下假設(shè)：①激波管內(nèi)的混合氣體為穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)定流動(dòng);②在軸向沒(méi)有混合,這表示在流動(dòng)方向上分子擴(kuò)散和湍流質(zhì)量擴(kuò)散都可以忽略;③垂直于流動(dòng)方向的參數(shù)都相同,即一維流動(dòng),這意味著在任何一個(gè)橫截面上,單個(gè)參數(shù)的速度、溫度、組分等可以完全描述這一流動(dòng);④理想無(wú)黏流動(dòng),這個(gè)假設(shè)可以允許用簡(jiǎn)單的歐拉方程來(lái)關(guān)聯(lián)壓力與速度;⑤理想氣體特性,這個(gè)假設(shè)可以允許用簡(jiǎn)單的狀態(tài)方程來(lái)關(guān)聯(lián)溫度T、壓力p、密度ρ、組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi、焓h。

由以上假設(shè)可以推導(dǎo)出一組一階常微分方程組,其解準(zhǔn)確地描述了激波管內(nèi)組分的流動(dòng)特性沿軸向距離z的變化函數(shù)關(guān)系。

(1)連續(xù)性方程。

式中,ρ為組分密度,kg/m3;z為軸向距離,m;vz為軸向速度(即z向速度),m/s;cp為比定壓熱容,J/ (kg·K);A為反應(yīng)器的橫截面積,是軸向距離z的函數(shù),m2;p為系統(tǒng)壓力,Pa;h為焓,J/kg;Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù);為組分i的凈生成率,kmol/(s·m3); Mi為組分i的摩爾質(zhì)量,kg/kmol;T為系統(tǒng)的溫度, K;Ru為通用氣體常數(shù),J/(kmol·K)。

方程組只有加上對(duì)應(yīng)的初始條件和邊界條件才能構(gòu)成一個(gè)定解問(wèn)題[8]。因此,為得到以上方程組的解,需給出對(duì)應(yīng)的初始條件和邊界條件。初始條件在第4節(jié)中的計(jì)算工況中給出。邊界條件[9]為

式中,lm為激波與接觸面之間的距離,m。

3 反應(yīng)機(jī)理

計(jì)算采用美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的甲烷燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)機(jī)理,包括53種組分、325個(gè)基元反應(yīng)[10]。該反應(yīng)機(jī)理針對(duì)當(dāng)量比0．1～5．0、溫度1 000～2 500 K、初始?jí)毫?00 Pa～1．01 MPa等范圍內(nèi)的甲烷燃燒做了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化[11-12],是國(guó)際公認(rèn)的、可靠的甲烷燃燒機(jī)理[13]。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

瓦斯爆炸的發(fā)生需滿(mǎn)足：①甲烷與空氣的混合氣體中,甲烷的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在4%～16%;②氧氣的體積分?jǐn)?shù)須大于12%;③點(diǎn)火源,即高溫?zé)嵩?溫度高于650℃)存在的時(shí)間大于瓦斯的引火感應(yīng)期[14]。在計(jì)算中,利用激波提供的能量代替點(diǎn)火源[15-16]。激波管的初始計(jì)算條件見(jiàn)表1。

表1 激波管初始計(jì)算條件Table 1 Initial computational conditions in shock tube

4.1 水對(duì)爆炸溫度及沖擊波傳播速度的影響

從圖2可以看出,隨著初始混合氣體中含水量的增加,瓦斯爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間略微延長(zhǎng),但幅度不大,爆炸過(guò)程中及爆炸后的爆炸溫度和沖擊波傳播速度有一定幅度的下降。工況1(初始混合氣體中不含水)時(shí),瓦斯爆炸過(guò)程中爆燃溫度和沖擊波傳播速度的最大值分別為3 412．0 K和473 m/s;工況2～4(初始混合氣體中含水5%,10%,20%)時(shí),爆燃溫度和沖擊波傳播速度的最大值分別為3 289．7 K和460 m/s,3 179．9 K和448 m/s,2 985．7 K和428 m/ s。與不含水時(shí)相比,含水量為20%時(shí),爆燃溫度和沖擊波傳播速度分別下降了426．3 K和45 m/s,降幅分別為12．5%和9．5%。

4.2 水對(duì)反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)的影響

由圖3可以看出,隨著初始混合氣體中含水量的增加,甲烷和氧氣等反應(yīng)物的消耗速率有一定幅度的下降,反應(yīng)時(shí)間有所延長(zhǎng),但幅度不大。工況1(初始混合氣體中不含水)時(shí),甲烷反應(yīng)完全所需時(shí)間約為5．5 μs;工況2～4(初始混合氣體中含水5%,10%, 20%)時(shí),甲烷完全反應(yīng)所需時(shí)間分別約為5．8,6．7, 8．7 μs。與不含水時(shí)相比,含水量為20%時(shí)甲烷完全反應(yīng)所需的時(shí)間延長(zhǎng)了3．2 μs,增幅為37%。

4.3 水對(duì)自由基摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖2 水對(duì)溫度及沖擊波傳播速度的影響Fig．2 Effects of H2O on variation tendencies of temperature and shock-wave velocity

由圖4可以看出,隨著初始混合氣體中含水量的增加,瓦斯爆炸前后H自由基和O自由基的摩爾分?jǐn)?shù)均有一定幅度的下降。工況1(初始混合氣體中不含水)時(shí),瓦斯爆炸后H自由基和O自由基的摩爾分?jǐn)?shù)分別為3．88%和2．99%;工況2～4(初始混合氣體中含水5%,10%,20%)時(shí),瓦斯爆炸后H自由基和O自由基的摩爾分?jǐn)?shù)分別為3．68%和2．60%, 3．45%和2．27%,2．91%和1．71%。與不含水時(shí)相比,含水量為20%時(shí),H自由基和O自由基的摩爾分?jǐn)?shù)分別下降了0．97%和1．28%,降幅分別為25%和42．8%。

4.4 水對(duì)碳氧化合物摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖3 水對(duì)反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig．3 Effects of H2O on variation tendencies of reactants mole fractions

圖4 水對(duì)H,O自由基摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig．4 Effects of H2O on variation tendencies of H,O radicals mole fractions

圖5 水對(duì)碳氧化合物摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig．5 Effects of H2O on variation tendencies of carbon oxides mole fractions

由圖5可以看出,隨著初始混合氣體中含水量的增加,瓦斯爆炸后CO摩爾分?jǐn)?shù)依次下降,CO2摩爾分?jǐn)?shù)則有一定幅度的升高。工況1(初始混合氣體中不含水)時(shí),瓦斯爆炸后CO和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為6．36%和2．15%;工況2～4(初始混合氣體中含水5%,10%,20%)時(shí),瓦斯爆炸后CO和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為5．80%和2．32%,5．28%和2．44%, 4．45%和2．48%。與不含水時(shí)相比,含水量為20%時(shí),CO的摩爾分?jǐn)?shù)下降了1．91%,降幅為30%;而CO2的摩爾分?jǐn)?shù)上升了0．33%,增幅為13．3%,這主要是因?yàn)榛磻?yīng)R12：O+CO(+M)?CO2(+M)為壓力控制反應(yīng),反應(yīng)體系中壓力越低,正反應(yīng)發(fā)生的強(qiáng)度就越大。因此,隨著反應(yīng)體系中含水量的增加,體系中的爆炸壓力依次降低,基元反應(yīng)R12的正反應(yīng)發(fā)生強(qiáng)度依次增加,CO2的生成量依次增加。這也是與工況1相比,在瓦斯爆炸后,工況2～4中CO2生成量依次增加的主要原因。

4.5 水對(duì)氮氧化合物摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖6為水對(duì)氮氧化合物的影響。

由圖6可以看出,隨著初始混合氣體中含水量的增加,NO和NO2等致災(zāi)性氣體的摩爾分?jǐn)?shù)依次下降。工況1(初始混合氣體中不含水)時(shí),瓦斯爆炸后NO和NO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0．16%和0．43×10-6;工況2～4(初始混合氣體中含水5%,10%,20%)時(shí),瓦斯爆炸后NO和NO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0．10%和0．25×10-6,0．06%和0．15×10-6,0．02%和0．05×10-6。與不含水時(shí)相比,含水量為20%時(shí),NO和NO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別下降了0．14%和0．38×10-6,降幅分別為87．5%和88．4%。

5 結(jié) 論

圖6 水對(duì)氮氧化合物摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig．6 Effects of H2O on variation tendencies of nitrogen oxides mole fractions

(1)在激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過(guò)程中,初始混合氣中的水含量對(duì)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性影響顯著。在一定范圍內(nèi),隨著初始混合氣體中水含量的升高,激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸后,甲烷完全反應(yīng)時(shí)間有所延長(zhǎng);爆炸溫度、沖擊波速度,以及O自由基、H自由基、CO、NO和NO2等的摩爾分?jǐn)?shù)均依次降低;CO2的摩爾分?jǐn)?shù)則依次升高。

(2)與初始混合氣體中不含水時(shí)相比,含水量為20%時(shí),爆炸溫度和沖擊波傳播速度分別下降了426．3 K和45 m/s,降幅分別為12．5%和9．5%;甲烷完全反應(yīng)所需的時(shí)間延長(zhǎng)了3．2 μs,增幅37%;H自由基和O自由基的摩爾分?jǐn)?shù)分別下降了0．97%和1．28%,降幅分別為25%和42．8%;CO摩爾分?jǐn)?shù)下降了1．91%,降幅為30%;而CO2摩爾分?jǐn)?shù)上升了0．33%,增幅13．3%;NO和NO2摩爾分?jǐn)?shù)分別下降了0．49%和0．41×10-6,降幅分別為16%和16．5%。

(3)在一定范圍內(nèi),混合氣體中含水量的增加會(huì)降低瓦斯爆炸強(qiáng)度、促進(jìn)CO2的生成、抑制CO,NO及NO2等有毒有害氣體的生成,尤其對(duì)H自由基和O自由基的抑制作用最為顯著。

[1] 景國(guó)勛,喬奎紅,王振江,等．瓦斯爆炸中的火球傷害效應(yīng)[J]．工業(yè)安全與環(huán)保,2009,35(3)：37-38．

Jing Guoxun,Qiao Kuihong,Wang Zhenjiang,et al．The fireball effect of injury in gas explosion[J]．Industrial Safety and Environmental Protection,2009,35(3)：37-38．

[2] 張延松．煤礦生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)[J]．四川環(huán)境,1997,16(2)：60-62．

ZhangYansong．Productionandenvironmentalprotectionin coal mines[J]．Sichuan Environment,1997,16(2)：60-62．

[3] 丁廣驤．煤礦巷道瓦斯爆轟理論分析和參數(shù)計(jì)算[J]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(1)：37-40．

Ding Guangxiang．Theoretical analysis and calculation of methane gas explosion in coal gangway[J]．Journal of China University of Mining and Technology,2000,29(1)：37-40．

[4] Rodat S,Abanades S,Coulié J,et al．Kinetic modelling of methane decomposition in a tubular solar reactor[J]．Chemical Engineering Journal,2009,146(1)：120-127．

[5] 賈智偉,李小軍,楊書(shū)召．煤礦瓦斯爆炸傳播規(guī)律的研究進(jìn)展[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(6)：73-75．

Jia Zhiwei,Li Xiaojun,Yang Shuzhao．Research and development of coal mine gas explosion propagation regularity[J]．Mining Safety and Environmental Protection,2008,35(6)：73-75．

[6] Lu F K,Ortiz A A,Li J M,et al．Detection of shock and detonation wave propagation by cross correlation[J]．Mechanical Systems and Signal Processing,2009,23(4)：1098-1111．

[7] 劉向軍,陳 昊．初始?jí)毫?duì)礦井瓦斯爆炸過(guò)程影響的理論研究[J]．礦冶,2006,15(1)：5-9．

Liu Xiangjun,Chen Hao．Theoretical study on the effects of initial pressure on methane explosion in coal mine[J]．Mining and Metallurgy,2006,15(1)：5-9．

[8] Essen V M,Sepman A V,Mokhov A V,et al．Pressure dependence of NO formation in laminar fuel-rich premixed CH4/air flames[J]．Combustion and Flame,2008,153(3)：434-441．

[9] Mitchell R E,Kee R J．Shock：A general purpose computer code for predicting chemical kinetic behavior behind incident and reflected shocks[R]．Sandia National Laboratory,SAND 82-8205,1998．

[10] Gregory P,Smith D G．Gri-mech 3．0[EB/OL]．http：//www．me．berkeley．edu/gri_mesh/version30/text30．html．2005/2007．

[11] Westbrook C K,Mizobuchi Y,Poinsot T J,et al．Computational combustion[J]．Proceeding of the Combustion Institute,2005,30 (1)：125-157．

[12] 王高峰．基于激波管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的甲烷燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究[D]．合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008．

[13] 朱傳杰,林柏泉．基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的瓦斯爆炸對(duì)沖火焰疊加特征的研究[J]．煤炭學(xué)報(bào),2011,36(S1)：118-122．

Zhu Chuanjie,Lin Baiquan．Superposition characteristics of gas explosion opposed-flow flame based on chemical kinetics[J]．Journal of China Coal Society,2011,36(S1)：118-122．

[14] 賈寶山,溫海燕,梁運(yùn)濤．煤礦巷道內(nèi)N2及CO2抑制瓦斯爆炸的機(jī)理特性[J]．煤炭學(xué)報(bào),2013,38(3)：11-16．

Jia Baoshan,Wen Haiyan,Liang Yuntao．Mechanism characteristics of CO2and N2inhibiting methane explosions in coal mine roadways [J]．Journal of China Coal Society,2013,38(3)：11-16．

[15] Liang Yuntao,Zeng Wen．Kinetic simulation of gas explosion and inhibition mechanism in enclosed space[J]．CIESC Journal,2009, 60(7)：1700-1706．

[16] 梁運(yùn)濤,曾 文．空氣含濕量抑制瓦斯爆炸過(guò)程的數(shù)值模擬[J]．深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2013,30(1)：52-57．

Liang Yuntao,Zeng Wen．Simulation of the inhibition mechanism of humidity ratio of air in gas explosion process[J]．Journal of Shenzhen University(Science and Engineering),2013,30(1)：52-57．

Effects of water on reaction kinetic for gas explosion in shock tube

WANG Lian-cong,LUO Hai-zhu,LIANG Yun-tao

(State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,CCTEG Shenyang Research Institute,Shenyang 110016,China)

In order to study the effects of water on reaction kinetic for gas explosion in shock tube,by using numerical analysis method of reaction kinetics,a mathematical model was built for the shock wave-induced gas explosion．And the model was used to have numerical simulations and contrastive analyses to the effects of H2O on the variation tendencies of explosion temperature,shock wave velocity,mole fractions of reactants,radicals and main catastrophic gases．The results show that：in certain scope,along with initial gaseous mixture in H2O elevation,explosion temperature, shock wave velocity,and the mole fractions of O radical/H radical/CO/NO/NO2decrease successively;on the contrary,the mole fractions of CO2increase in turn．That is to say,within a certain range,with the H2O increasing,the gas explosion intension decreasing,the resultant of CO2being promoted,the resultants of CO/NO/NO2being inhibited,and the inhibiting effects to the H radical and O radical are more obvious especially．

gas explosion;reaction kinetics characteristic;shock tube;explosion mechanics

TD712

A

0253-9993(2014)10-2037-05

2013-09-22 責(zé)任編輯：張曉寧

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404138);中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2013QN003);國(guó)家重大科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ240127)

王連聰(1984—),男,河北南宮人,助理研究員,碩士。E-mail：ccong001@126．com

王連聰,羅海珠,梁運(yùn)濤．激波管中水對(duì)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的影響[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(10)：2037-2041．

10．13225/ j．cnki．jccs．2013．1383

Wang Liancong,Luo Haizhu,Liang Yuntao．Effects of water on reaction kinetic for gas explosion in shock tube[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2037-2041．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1383