瓦斯輸送管道內(nèi)抑爆過程數(shù)值模擬研究

祝 釗, 賈 振 元, 羅 海 珠

( 1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院, 遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室, 遼寧 撫順 113122 )

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瓦斯輸送管道內(nèi)抑爆過程數(shù)值模擬研究

祝 釗1,2,3, 賈 振 元*1, 羅 海 珠2,3

( 1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院, 遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室, 遼寧 撫順 113122 )

基于流體動力學(xué)和燃燒理論,建立了管道直徑為500 mm的瓦斯爆炸數(shù)學(xué)模型,借助Fluent流體力學(xué)軟件,采用有限速率燃燒模型,對管道內(nèi)甲烷預(yù)混氣體爆炸后被惰性氣體熄滅的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,考察了瓦斯被點(diǎn)燃后,噴入不同流量高壓、低溫二氧化碳?xì)怏w后管道內(nèi)的燃燒流場特性．結(jié)果表明,二氧化碳噴入量低于12 kg/s不能使管內(nèi)火焰熄滅；二氧化碳噴入量大于16 kg/s時,能大大降低管道內(nèi)混合氣體溫度,同時降低甲烷和氧氣濃度,導(dǎo)致火焰在二氧化碳噴入口所在管道截面處熄滅．此過程中管內(nèi)最大反應(yīng)速率降低過程可分為3個階段,其中2個快速降低階段均符合冪律模型．二氧化碳噴入量在16～100 kg/s時,火焰熄滅時間先迅速變短后變化緩慢；模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好．研究結(jié)果可為煤礦防爆抑爆研究工作提供理論依據(jù)和參考,同時對保障煤礦安全生產(chǎn)和人民生命安全也具有重要的現(xiàn)實意義．

抑爆；有限速率燃燒模型；火焰熄滅；冪律模型

0 引 言

瓦斯抽采是礦井瓦斯治理的根本措施,將煤層中的瓦斯通過輸送管道抽出,可防止和減少煤礦瓦斯事故,保證礦井安全,保護(hù)礦區(qū)環(huán)境,并且抽采出的瓦斯再次利用還可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益．目前,我國煤礦井下抽采氣中,70%以上為5%～16%的低濃度瓦斯,若抽放系統(tǒng)或管路系統(tǒng)出現(xiàn)火花,隨時都有爆炸的可能．為了保證低濃度瓦斯輸送過程的安全,實現(xiàn)瓦斯輸送管道的主動抑爆,開發(fā)合理有效的抑爆技術(shù)成為亟待解決的問題．

近年來,國內(nèi)外學(xué)者展開了以惰性氣體為介質(zhì)的抑爆技術(shù)和理論研究．陳思維等[1]對管道內(nèi)預(yù)先充入一定比例惰性氣體的爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,獲得了爆炸波發(fā)展規(guī)律和惰性氣體的抑爆規(guī)律；Gieras等[2-3]用實驗手段研究了碳酸氫鈉粉末對甲烷燃燒火焰的抑制作用；Liu等[4]利用高速攝像機(jī)對細(xì)水霧抑制火焰過程進(jìn)行了定性分析,發(fā)現(xiàn)在水霧充足的情況下,細(xì)水霧能有效抑制管道瓦斯爆炸的傳播速度,降低火焰溫度,在瓦斯?jié)舛容^高或霧通量不足時,細(xì)水霧將通過助燃促進(jìn)瓦斯爆炸的進(jìn)行．喻健良[5]、趙濤[6]等對爆炸火焰在微小通道中的傳播機(jī)理和淬熄條件進(jìn)行了考察和研究．李凌飛[7]采用實驗方法考察了甲烷空氣預(yù)混氣體分別充注不同惰性氣體后對管內(nèi)氣體爆炸極限的影響．You等[8]通過將抑制劑和煤塵預(yù)先混合,考察了ABC粉、SiO2粉、巖塵粉對爆炸火焰的抑制效果．Kosinski[9]采用計算流體力學(xué)方法對固體顆粒抑制爆炸火焰的過程進(jìn)行了氣-固兩相流模擬研究．以上大多數(shù)研究采用將惰性氣體預(yù)先充入爆炸流場或者惰性氣體預(yù)先均勻混合于爆炸氣體等方法,而對于動態(tài)連續(xù)通入惰性氣體的抑爆流場特性研究還未見相關(guān)報道．

本文借助在燃燒領(lǐng)域被廣泛采用的Fluent軟件[10],對預(yù)混瓦斯氣體爆炸后噴入高壓二氧化碳后的燃燒流場特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究,考察瓦斯爆炸后惰性氣體在管道內(nèi)流場特點(diǎn),研究惰性氣體對瓦斯燃燒火焰的抑制機(jī)制,為抑爆控制器的設(shè)計提供理論依據(jù)和參考．

1 物理模型

計算選取直徑500 mm、長30 m的瓦斯輸送管道,采用二維物理模型進(jìn)行計算,在距離左端9 m處上下分別有一個20 mm大小的開口,如圖1所示．在爆炸模擬計算過程中,這兩個開口設(shè)定為固壁；當(dāng)進(jìn)行熄滅數(shù)值模擬計算時,兩個開口設(shè)定為高壓惰性氣體的入口．

圖1 物理模型

Fig.1 Physical model

2 數(shù)學(xué)模型

管道內(nèi)瓦斯爆炸過程實際上是一個快速、復(fù)雜的燃燒反應(yīng)過程,是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用的結(jié)果,燃燒的化學(xué)反應(yīng)速率是強(qiáng)非線性和剛性的．為此在建立流場數(shù)學(xué)模型時,假設(shè)流動的惰性氣體及燃燒氣體為連續(xù)介質(zhì),忽略壁面的散熱；假設(shè)化學(xué)反應(yīng)為快速單極反應(yīng),反應(yīng)方程式如下式所示:

(1)

采用體積反應(yīng)計算組分的生成速率,瓦斯燃燒反應(yīng)速率由有限速率模型控制．假設(shè)瓦斯和空氣在點(diǎn)火之前為分子級別混合程度．這里建立的氣體動力學(xué)模型以可壓縮湍流流動為基礎(chǔ),包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等,具體方程表達(dá)式及參數(shù)確定參見文獻(xiàn)[11]．

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,忽略惰性氣體射流帶來的高雷諾數(shù)等問題．湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用機(jī)理采用有限速率模型,模型中在化學(xué)反應(yīng)中單個物質(zhì)i的產(chǎn)生速率Ri由下式確定:

(2)

式中:Nr為系統(tǒng)中化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；ν′i為反應(yīng)物i的化學(xué)計量系數(shù)；ν″i為生成物i的化學(xué)計量系數(shù)；η′j為反應(yīng)中每種反應(yīng)物或生成物j的正向反應(yīng)速度指數(shù)；cj為反應(yīng)中每種反應(yīng)物或生成物j的物質(zhì)的量濃度；kf為正向反應(yīng)速率常數(shù)．

3 計算條件

3.1 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格．為提高數(shù)值計算精度,在管道兩側(cè)開口處適當(dāng)加密網(wǎng)格．整個管道模型的網(wǎng)格總數(shù)為17 068個,其中最小網(wǎng)格面積為5.0×10-4m2,最大網(wǎng)格面積為3.0×10-2m2．

3.2 邊界條件

實際上,瓦斯在管道內(nèi)爆炸后,產(chǎn)生的高溫、高壓氣體向管道左右兩個方向傳播,這里假設(shè)管道左右兩方向上物理條件相同,則在瓦斯爆炸處,管道左右兩方向上是對稱的,沒有熱量、質(zhì)量等物理量的相互傳遞．由于爆炸后氣體流速很快,忽略瓦斯氣體的輸送速度,設(shè)定管道左端為無滑移、絕熱壁面邊界條件,管道右端為氣體出口,壓力為大氣壓,管壁為無滑移、絕熱壁面邊界條件．在計算瓦斯爆炸過程時,管道兩側(cè)的開口為固壁；計算瓦斯火焰熄滅過程時,管道兩側(cè)開口為壓力為8 MPa 的高壓、低溫二氧化碳進(jìn)口．

3.3 初始條件

本文計算甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的混合氣體爆炸．基于非穩(wěn)態(tài)計算,在t0時刻,設(shè)定管道左端有一直徑為0.18 m的半圓形火源,火源內(nèi)部CO2體積分?jǐn)?shù)為9.1%,H2O體積分?jǐn)?shù)為18.1%,CH4和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0,湍動能和湍動能耗散率為1,溫度為1 400 K,壓力為101 325 Pa；管道其余部分充滿靜止的常溫、常壓甲烷混合氣體,其中CH4體積分?jǐn)?shù)為9.5%,O2體積分?jǐn)?shù)為19.0%,其余為N2．

4 結(jié)果與討論

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模擬以及計算條件的設(shè)置,采用Fluent軟件對全管道充滿均勻9.5%瓦斯氣體的爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計算．在瓦斯爆炸30 ms后,通入壓力為8 MPa的高壓二氧化碳?xì)怏w,兩個噴入口總流量分別為6、10、12、16、18、20、24、30、40、80、120 kg/s．為清晰起見,在顯示瓦斯燃燒流場時將管道直徑進(jìn)行了適當(dāng)放大．

4.1 二氧化碳噴入前管內(nèi)爆炸流場狀況

瓦斯被點(diǎn)燃后,反應(yīng)生成熱加熱周圍混合氣體,使氣體迅速膨脹,壓力不斷增大,并推動氣體在管內(nèi)傳播．隨著爆炸的進(jìn)行,管內(nèi)壓力波、速度波、溫度波等均發(fā)生不同程度的變化．圖2所示為瓦斯爆炸30 ms后,通入二氧化碳前爆炸流場的溫度分布、反應(yīng)速率分布、速度分布以及壓力分布．可以看出,在通入二氧化碳前,爆炸流場最高溫度為3 439 K,這與戴林超等[12]研究結(jié)果相一致；管內(nèi)最大反應(yīng)速率為0.196 2 kmol/(m3·s),氣體最大流速達(dá)2 070 m/s,最高壓力在5 MPa．最高速率區(qū)、最大壓力區(qū)以及最大反應(yīng)速率區(qū)有部分重疊．火焰燃燒面位于管道最高溫區(qū)的前方,距離二氧化碳噴入口7.8 m左右．

圖2 二氧化碳?xì)怏w通入前各參數(shù)流場分布

4.2 管道內(nèi)溫度分布

圖3(a)所示為二氧化碳總噴入量為20 kg/s時管道內(nèi)溫度隨時間的分布變化圖．可以看出,高溫氣團(tuán)約89 ms時到達(dá)二氧化碳噴入口位置,此時高溫區(qū)外沿最高溫度達(dá)3 300 K．之后,高溫氣團(tuán)與噴入的低溫二氧化碳?xì)怏w相遇,這時高溫氣團(tuán)外層的溫度梯度加大,散熱速率增大,使得在二氧化碳噴入口左端管道內(nèi)氣體溫度開始逐漸降低,右端管道的部分低溫區(qū)被加熱,溫度約達(dá)1 000 K．從溫度分布圖的整個發(fā)展過程來看,在二氧化碳噴入口右端管道,持續(xù)噴入的超低溫二氧化碳?xì)怏w將較高溫氣團(tuán)隔開,并且較高溫氣團(tuán)的總體溫度也在持續(xù)降低,說明沒有反應(yīng)熱量產(chǎn)生,由此可以判斷火焰已經(jīng)熄滅．二氧化碳噴入量為24、30、40、80、120 kg/s時管內(nèi)溫度分布與圖3(a) 相似．

圖3(b)所示為二氧化碳噴入量為12 kg/s時,管內(nèi)溫度隨時間的分布變化圖．與圖4(a)對比可以看出,由于二氧化碳噴入量減少,瓦斯爆炸氣體到達(dá)噴入口后,通過與超低溫二氧化碳的換熱,溫度有所降低,在1 600～1 800 K．隨后,隨著高溫氣團(tuán)的繼續(xù)向前傳播,溫度又開始上升；在149 ms以后,二氧化碳噴入口右端管道內(nèi)溫度高達(dá)2 800 K,說明瓦斯在管內(nèi)又開始燃燒放熱．二氧化碳噴入量為3、4 kg/s管內(nèi)溫度分布與圖3(b) 相似．

(a) 20 kg/s

(b) 12 kg/s

圖3 不同二氧化碳噴入量時管內(nèi)溫度分布

Fig.3 Temperature distribution in pipeline at different CO2flow rates

4.3 管道內(nèi)組分濃度分布

研究管道內(nèi)瓦斯燃燒情況除了要分析溫度影響外,甲烷在混合氣體中的濃度也是至關(guān)重要的．圖4(a)、(b)所示為二氧化碳噴入量分別為20、12 kg/s時管道內(nèi)甲烷物質(zhì)的量濃度分布．可以看出,二氧化碳的噴入,使得噴入口后方管內(nèi)甲烷物質(zhì)的量濃度有所減小,尤其是噴入量為20 kg/s時,管內(nèi)有段較寬的甲烷濃度范圍在低濃度區(qū)域,這部分區(qū)域被持續(xù)噴入的低溫高壓二氧化碳?xì)怏w逐漸推向管出口方向；同時可判斷出,氧氣濃度在甲烷低濃度區(qū)也發(fā)生了相應(yīng)的降低．結(jié)合圖4(b)可以看出,噴入速度為20 kg/s的二氧化碳一方面使爆炸燃燒的高溫氣團(tuán)降溫至1 000 K以下,另一方面降低了管內(nèi)甲烷和氧氣濃度,降低甲烷化學(xué)反應(yīng)速率,這種雙重作用使管內(nèi)甲烷火焰熄滅．然而,若二氧化碳噴入量降低為12 kg/s時,噴入點(diǎn)后方管道內(nèi)出現(xiàn)了較大的濃度梯度,其中低濃度區(qū)域很小,約0.5 m,之后便是體積分?jǐn)?shù)為9.0%左右的甲烷混合氣體；結(jié)合圖4(b)可以判斷出,由于不能使來流高溫氣體溫度大幅降低,火焰在中斷一段時間后再次被點(diǎn)燃．

(a) 20 kg/s

(b) 12 kg/s

圖4 不同二氧化碳噴入量時管內(nèi)甲烷物質(zhì)的量濃度分布

Fig.4 CH4concentration of amount of substance distribution of the pipeline at different CO2flow rates

4.4 反應(yīng)速率分布

管道空間內(nèi)有甲烷化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域即火焰燃燒位置．圖5所示為管道內(nèi)反應(yīng)速率分布隨時間的變化．可以看出,瓦斯被點(diǎn)燃后,燃燒火焰面迅速在管道內(nèi)向出口傳播,約在89 ms時到達(dá)二氧化碳噴入口,之后遇到超低溫、高壓二氧化碳的噴入,火焰面位置處的甲烷與氧氣被稀釋,溫度也迅速降低,導(dǎo)致瓦斯燃燒面不再向前傳播,火焰開始熄滅,在178 ms時火焰基本熄滅．圖6所示為管道內(nèi)火焰前端最大反應(yīng)速率隨時間的變化曲線．可以看出,在火焰到達(dá)二氧化碳噴入口之前,由于湍流燃燒火焰的水動力學(xué)不穩(wěn)定特性,到達(dá)二氧化碳噴入口之前,管道內(nèi)最大反應(yīng)速率有上下波動現(xiàn)象,平均反應(yīng)速率基本為1 kmol/(m3·s),最大反應(yīng)速率可達(dá)4.5 kmol/(m3·s)．在火焰燃燒面到達(dá)二氧化碳噴入口時,最大反應(yīng)速率經(jīng)歷一個快速降低階段,在10～11 ms內(nèi),甲烷反應(yīng)速率迅速降低為4×10-3kmol/(m3·s)．這個階段內(nèi)最大反應(yīng)速率不再呈現(xiàn)上下波動特征；之后反應(yīng)速率經(jīng)歷一個慢速降低階段,在這個階段內(nèi)反應(yīng)速率有一個較短的停留,在13 ms內(nèi),反應(yīng)速率從4×10-3kmol/(m3·s)降低為4×10-4kmol/(m3·s)；再之后火焰又經(jīng)歷一個快速的熄滅階段,在約64 ms內(nèi),火焰面反應(yīng)速率降低為1×10-5kmol/(m3·s)以下．縱觀火焰的整個熄滅過程,可以看出,在兩個快速熄滅階段,反應(yīng)速率隨時間的變化近似成直線關(guān)系,符合冪律模型．

圖5 反應(yīng)速率圖

圖6 火焰面最大反應(yīng)速率隨時間變化曲線

定義從火焰?zhèn)鞑サ蕉趸紘娙肟谖恢锰?到瓦斯反應(yīng)速率降為1×10-5kmol/(m3·s)時的時間為火焰熄滅時間．由于二氧化碳噴入量在12 kg/s以下時,燃燒火焰基本不能熄滅,二氧化碳噴入量在16～120 kg/s時的火焰熄滅時間曲線如圖7所示．可以看出,對于直徑為500 mm的管道,甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%情況下,二氧化碳通入量越大,火焰熄滅時間越短．通入量在25 kg/s以下時,隨著二氧化碳噴入量的增加,火焰熄滅時間變短較快,而在25～100 kg/s時,火焰熄滅時間變短比較緩慢．說明對于二維模型,二氧化碳的理論噴入量小于25 kg/s比較經(jīng)濟(jì)．

圖7 不同二氧化碳通入量時火焰熄滅時間

5 試驗驗證

為驗證模擬計算的正確性,在室外建立了直徑500 mm、長30 m的試驗管道進(jìn)行爆炸試驗．試驗開始前用厚度約為0.12 mm的聚氯乙烯塑料薄膜封閉管道,管道內(nèi)混合9%～10%的瓦斯；火焰?zhèn)鞲衅髟诠艿篱L0～20 m內(nèi)約每3 m安放一個,剩余長度每4 m安放一個,總共安放10個．采用火焰?zhèn)鞲衅鳒y量火焰到達(dá)時間．為屏蔽火焰?zhèn)鞲衅鞅旧淼捻憫?yīng)速度、響應(yīng)距離對測量結(jié)果的影響,可計算爆炸氣體的相對平均速度,即兩個傳感器之間距離與傳感器觸發(fā)時間差的比值．相對平均速度的數(shù)值模擬計算值和試驗測量值見圖8．可以看出,由于火焰水動力學(xué)的不穩(wěn)定性,在傳感器測點(diǎn)位置氣體相對平均速度值存在一定的波動,但由兩種方法得到的速度變化趨勢相似,數(shù)值模擬結(jié)果較試驗測量值偏小,兩者最大相對誤差不超過15.0%,在工程允許范圍之內(nèi),說明數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果吻合較好．

圖8 數(shù)值模擬計算值與試驗測量值的對比

6 結(jié) 論

(1)瓦斯預(yù)混氣體被點(diǎn)燃30 ms后,管內(nèi)最高溫度為3 439 K,最大反應(yīng)速率為0.196 2 kmol/(m3·s),氣體最大流速高達(dá)2 070 m/s,最高壓力在5 MPa,火焰燃燒面距離二氧化碳噴入口有7.8 m左右．

(2)超低溫二氧化碳的噴入,一方面降低了管道內(nèi)高溫氣體的溫度,另一方面稀釋了火焰前方甲烷和氧氣．對于二維模型,二氧化碳噴入量大于16 kg/s 時火焰熄滅,小于12 kg/s時火焰還可復(fù)燃．

(3)管內(nèi)火焰在遇到低溫二氧化碳之前有波動現(xiàn)象,之后火焰前端最大反應(yīng)速率經(jīng)歷兩個快速降低和緩慢降低共3個階段,其中兩個快速降低階段均符合冪律模型．二氧化碳噴入量越大,火焰熄滅時間越短．噴入量在25 kg/s以下時,隨著二氧化碳噴入量的增加,火焰熄滅時間迅速變短,而在25～100 kg/s時,火焰熄滅時間變短比較緩慢．

(4)室外現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好．

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Numericalsimulationresearchonexplosionsuppressionprocessingastransmissionpipeline

ZHU Zhao1,2,3, JIA Zhen-yuan*1, LUO Hai-zhu2,3

( 1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.Shenyang Branch, China Coal Research Institute, Shenyang 110016,China；3.Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China )

Based on the theory of fluid dynamics and combustion, the mathematical model of gas explosion in the pipe with diameter of 500 mm is established, by Fluent, numerical simulation study of the flame′s quenching process in inert gas is conducted by using the finite rate combustion model, and the characteristics of explosion field by injecting different flow rate of high pressure and low temperature CO2are also investigated. The experimental results show that, when the CO2injection is less than 12 kg/s, it can not extinguish the flame in the pipe; however, when the CO2injection is greater than 16 kg/s, it can greatly reduce the temperature of the mixed gas, and also dilute the methane and oxygen, and eventually lead to the flame extinguished at the carbon dioxide entrance. The reducing process of the maximum reaction rate can be divided into three stages, where two of the high-speed reducing stages satisfy the power-law model. When the CO2injection is between 16 kg/s and 100 kg/s, the extinction time reduces rapidly, and then changes slowly; the simulation results agree well with the experimental data. Research results can provide theoretical basis and reference for the explosion suppression in coal mine, and also have practical significance to protect the safety of people′s lives during coal mine production.

explosion suppression; finite rate combustion model; frame extinguish; power-law model

1000-8608(2014)01-0037-06

2012-09-12；

: 2013-12-08．

祝 釗(1983-),男,博士生,E-mail:zz8338@126.com；賈振元*(1963-),男,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:jzyxy@dlut.edu.cn.

TD684

：A

10.7511/dllgxb201401006