障礙物位置對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ビ绊懙臄?shù)值模擬

郗雪辰，張樹海，茍瑞君，陳亞紅

（中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原030051）

0 引 言

礦井瓦斯爆炸是煤礦重大惡性事故之一，如何有效防止煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生對煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義［1］．在煤礦巷道中，不可避免地有障礙物的存在，例如通風(fēng)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、支護(hù)設(shè)備，以及各種管道等［2］．一旦發(fā)生瓦斯爆炸事故，受障礙物影響，火焰會失穩(wěn)和加速，進(jìn)而誘導(dǎo)激波甚至爆轟波［3］．

為了提高煤礦生產(chǎn)的安全性和盡可能減少事故造成的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，人們已經(jīng)把障礙物對瓦斯爆炸的影響作為重要的研究課題之一．羅偉［4］等人研究了置障條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌涑瑝?，結(jié)果表明障礙物存在時(shí)火焰的傳播速度、超壓提高．Dag．Bjerketvedt［5］等人研究了障礙物阻塞率及形狀對超壓和火焰速度的影響．Masri［6］等人通過高速攝像機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)方板障礙物會導(dǎo)致火焰快速失穩(wěn)．Fairweather等［7］研究了環(huán)形障礙物對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)障礙物周圍存在強(qiáng)烈的火焰湍流．秦澗，譚迎新［8］等人研究了障礙物形狀對瓦斯爆炸的影響，認(rèn)為障礙物對瓦斯爆炸的規(guī)律存在顯著影響，阻塞比相同時(shí)障礙物形狀對爆壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懖淮螅嗝鞲?，紀(jì)文濤［9］等人利用實(shí)驗(yàn)手段研究了交錯(cuò)障礙物對瓦斯爆炸的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與平行障礙物相比，障礙物的交錯(cuò)放置對火焰形變、火焰速度以及爆炸壓力具有更加顯著的增強(qiáng)效果．

近年來，F(xiàn)LUENT 流體動(dòng)力學(xué)軟件以其經(jīng)濟(jì)、快速的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工程實(shí)際問題的模擬，逐漸成為一種新興研究手段［10］．本文利用FLUENT 數(shù)值模擬軟件，模擬受限空間內(nèi)，平行障礙物和連續(xù)交錯(cuò)障礙物對火焰形狀的影響．

1 模型建立

1．1 控制方程及求解器選擇

巷道瓦斯爆炸過程其本質(zhì)是可燃?xì)怏w的化學(xué)燃爆過程［11］，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程．由于這4個(gè)控制方程是非線性的，且數(shù)值結(jié)果相互影響．因此，選擇耦合求解器進(jìn)行求解．

1．2 物理模型

基于文獻(xiàn)［9］實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建立500 mm×150mm二維受限空間模型．分別模擬2個(gè)障礙物和3個(gè)障礙物的平行及交錯(cuò)放置條件，研究圖1中4種工況對火焰形狀的影響．單個(gè)障礙物的尺寸為10mm×75mm，阻塞率為0．5，障礙物之間的距離為100mm．

圖1 工況示意圖Fig．1 Working condition schematic diagram

1．3 計(jì)算模型

瓦斯爆炸存在明顯的熱交換和能量傳遞，因此選擇開啟能量方程．

粘性模型選擇Realizable k－epsilon（2eqn）模型．k－ε 雙方程模型是目前粘性模擬中應(yīng)用最廣泛的模型．考慮到物理模型是受限空間，可能會有湍流發(fā)生不完全的情況發(fā)生，k－ε 標(biāo)準(zhǔn)模型有可能計(jì)算出數(shù)值負(fù)的正應(yīng)力．因此選擇Realizable模型修正這一問題；選擇P1輻射模型模擬火焰的輻射傳熱；組分模型用于對化學(xué)組分的運(yùn)輸和燃燒等化學(xué)反應(yīng)的模擬，此處選擇組分運(yùn)輸模型，即有限速率模型，該模型在組分運(yùn)輸方程解的基礎(chǔ)上，加入了化學(xué)反應(yīng)．反應(yīng)方程采用單步反應(yīng)，

即：

1．4 邊界條件及初始化

壁面邊界選擇無滑移剪切壁面，壁面粗糙度保持默認(rèn)值0．5．由于軟件數(shù)據(jù)庫中沒有有機(jī)玻璃材料，因此需要自定義壁面材料．在選取材料為玻璃的基礎(chǔ)上，將密度更改為1 180kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)更改為0．18 W／（m·K）．入口邊界條件選擇速度入口，空氣入口速度為60 m／s，甲烷入口速度為6．3m／s．注入混合氣體溫度為300K．出口選擇壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓．

流場初始化溫度為300 K，氧氣體積分?jǐn)?shù)為0．23，為提高運(yùn)算效率，加速收斂，松弛因子設(shè)為0．8．

2 模擬步驟

給流場注入甲烷空氣混合氣體，穩(wěn)態(tài)求解計(jì)算，計(jì)算起點(diǎn)為壓力入口．計(jì)算基本收斂后，流場甲烷濃度約為9．5%；關(guān)閉注入氣體，即將入口速度調(diào)整為0．補(bǔ)充初始化流場底部中心點(diǎn)為起火點(diǎn)，即patch該點(diǎn)為1 300K 高溫區(qū)，為保證正常點(diǎn)燃混合氣體，仍然使用穩(wěn)態(tài)計(jì)算．當(dāng)CO2濃度發(fā)生變化時(shí)，說明氣體已被點(diǎn)燃，暫停計(jì)算；甲烷燃燒問題為瞬態(tài)問題，故更換瞬態(tài)求解器求解．為保證流場中混合氣體各處濃度均勻，且不受前步計(jì)算的影響，模擬補(bǔ)充初始化甲烷體積分?jǐn)?shù)為0．095，開始計(jì)算，計(jì)算收斂后自動(dòng)停止；模擬完成．

3 模擬結(jié)果及分析

3．1 10ms時(shí)的模擬結(jié)果

圖2 為各工況從點(diǎn)火開始計(jì)時(shí)到10ms時(shí)刻的火焰形狀．根據(jù)氣體燃燒熱理論，火焰分為預(yù)熱區(qū)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)［12］．反應(yīng)區(qū)外層溫度大約在2 200K左右，而中心區(qū)域溫度已經(jīng)達(dá)到2 800～3 000K．從圖2 中可以看出，在10 ms 時(shí)刻，4種工況下的火焰形狀基本相同，火焰前鋒較為光滑，呈自由發(fā)展?fàn)顟B(tài)，僅圖2（b）和圖2（c）的火焰出現(xiàn)微弱的拉伸現(xiàn)象．根據(jù)文獻(xiàn)［13］分析，火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程中具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，交錯(cuò)障礙物使流場結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，流場的突變會引起化學(xué)反應(yīng)的失衡，從而誘導(dǎo)湍流的發(fā)生，引起流體不穩(wěn)定傳播．因此可以看到，預(yù)熱區(qū)（溫度1 000K左右）開始發(fā)生拉伸變形，說明障礙物影響了火焰?zhèn)鞑ィ医诲e(cuò)障礙物比平行障礙物對預(yù)熱區(qū)的形變影響更為顯著．

圖2 10ms火焰形狀圖Fig．2 Flame shape at 10ms

3．2 20ms時(shí)的模擬結(jié)果

圖3 為20ms時(shí)刻的火焰形狀．障礙物對火焰有擾動(dòng)作用，火焰前鋒產(chǎn)生扭曲變形．交錯(cuò)障礙物的形變和拉伸程度更為明顯．反應(yīng)區(qū)前端開始越過第一個(gè)障礙物，呈現(xiàn)彎曲狀，各工況均呈現(xiàn)出火焰鋒面拉伸現(xiàn)象，且較10 ms時(shí)刻更為細(xì)長．預(yù)熱區(qū)開始出現(xiàn)較為顯著的湍流特征，對比圖3（a）和圖3（b）可以看到，障礙物的交錯(cuò)放置使湍流有明顯的加強(qiáng)．由于障礙物同火焰?zhèn)鞑サ恼答侎詈希?4］，障礙物附近會出現(xiàn)繞流區(qū)和剪切層．繞流引起前方火焰和后來火焰的堆積，產(chǎn)生湍流．剪切層增大火焰速度梯度，火焰表面迅速拉伸，越過障礙物后速度降低，火焰沿梯度場匯聚．交錯(cuò)障礙物提高了火焰繞流和剪切的頻率，多次的伸長和折疊，導(dǎo)致圖3（c）和圖3（d）中更大的預(yù)熱區(qū)面積．

圖3 20ms火焰形狀圖Fig．3 Flame shape at 20ms

3．3 30ms時(shí)的模擬結(jié)果

圖4 為30ms時(shí)刻的火焰形狀．火焰開始經(jīng)過第二個(gè)障礙物．對比圖4（a）和圖4（b）可以看出，交錯(cuò)障礙物條件下的火焰表現(xiàn)出非常明顯的湍流特征，火焰?zhèn)鞑ヒ哺硬环€(wěn)定．火焰的褶皺變形促使其與未燃區(qū)域的接觸面積增大，大大提高了混合氣體的燃燒速率．對比圖4（b）和圖4（d）發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)障礙物條件下火焰更容易快速發(fā)展，且溫度較高．根據(jù)參考文獻(xiàn)［15］分析，障礙物提高了火焰湍流，火焰陣面發(fā)生伸長折疊．細(xì)長的火焰與未燃區(qū)接觸面積快速增大，致使火焰發(fā)展過程中沒有得到能量補(bǔ)充，加之壁面吸熱，引起火焰衰減，甚至熄滅．

圖4 30ms火焰形狀圖Fig．4 Flame shape at 30ms

3．4 40ms時(shí)的模擬結(jié)果

圖5 為40ms時(shí)刻的火焰形狀．火焰充滿了整個(gè)計(jì)算域．點(diǎn)火點(diǎn)周圍的溫度處在2 600～2 800K之間，空間內(nèi)其他區(qū)域溫度在2 000K 左右．圖5（d）與其他工況對比，發(fā)現(xiàn)整體溫度偏低，出口位置溫度提升不明顯．分析認(rèn)為，由于30ms時(shí)火焰扭曲變形嚴(yán)重，細(xì)長的火焰未能得到及時(shí)的能量補(bǔ)充，面積的增大又加快了能量的耗散，加之壁面?zhèn)鳠幔糠只鹧嬖诎l(fā)展過程中熄滅．與未燃區(qū)接觸面積的增大還加速了燃料和氧氣的消耗，致使火焰發(fā)展的持續(xù)性下降，導(dǎo)致溫度偏低．

圖5 40ms火焰形狀圖Fig．5 Flame shape at 40ms

4 結(jié) 論

通過上述模擬，可以得出以下結(jié)論：

1）障礙物的數(shù)量對火焰?zhèn)鞑ビ屑?lì)作用．障礙物數(shù)量越多，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇欤畬?shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免放置過多的障礙物．

2）障礙物的交錯(cuò)放置加強(qiáng)火焰湍流，增大了火焰的形變，縮短了未燃區(qū)混合氣體參與反應(yīng)的時(shí)間．實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量壁面障礙物的交錯(cuò)放置．

3）連續(xù)交錯(cuò)放置的障礙物可能會引發(fā)熄火現(xiàn)象．交錯(cuò)障礙物之間的距離、障礙物阻塞率、點(diǎn)火能、壁面?zhèn)鳠岬?，都可能是影響因素，其對熄火現(xiàn)象的影響需要進(jìn)一步研究．

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