甲烷爆炸傳播過(guò)程膜狀障礙物的激勵(lì)效應(yīng)研究*

徐景德，田思雨，劉振乾，馮若塵

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 燕郊 101601；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

瓦斯爆炸事故是煤礦安全生產(chǎn)面臨的主要威脅之一[1-3]，激勵(lì)效應(yīng)是瓦斯爆炸事故調(diào)查及防治必須高度注意的問(wèn)題[4]。由于煤礦巷道中普遍存在設(shè)備設(shè)施等各種障礙物，使得巷道有效斷面減小[5]。在瓦斯爆炸傳播過(guò)程中，障礙物阻礙了爆炸沖擊波和火焰波的原始傳播途徑，造成瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著提升[6]，同時(shí)紊流度的增加也使燃燒速率迅速提高。障礙物的激勵(lì)效應(yīng)直接影響到相關(guān)災(zāi)害事故的發(fā)生與演變，在某些條件下會(huì)導(dǎo)致二次爆炸甚至爆轟[7]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激勵(lì)效應(yīng)方面已經(jīng)有大量研究，韓蓉等[8]研究了方形狹長(zhǎng)密閉空間內(nèi)存在球體障礙物時(shí)火焰及沖擊波傳播規(guī)律；丁建旭等[9]研究了變徑圓柱障礙物組與爆轟波的耦合作用機(jī)制；郭丹彤等[10]研究了障礙物截面變化對(duì)混合氣體爆炸特性參數(shù)的影響規(guī)律；Ciccarelli等[11]分析了障礙物尺寸和間距對(duì)粗糙管內(nèi)火焰加速初始階段的影響。所做的研究中大多采用鋁、鋼等材料來(lái)模擬礦車(chē)、支架等對(duì)巷道的阻塞作用，通常阻塞比小于1。

但是實(shí)際巷道中還存在另外一種柔性障礙物，在一些巷道中由于通風(fēng)、防塵等工作的需要，為將空間中2段氣流隔開(kāi)，常采用布匹、隔膜等設(shè)置風(fēng)簾、風(fēng)障。此時(shí)隔膜則作為阻塞率為1的障礙物存在于巷道中。隔膜具有一定的彈性，剪切力較弱，易撕裂，且本身具有燃燒性[12]。膜狀障礙物產(chǎn)生的激勵(lì)效應(yīng)機(jī)理不同于剛性障礙物，一旦發(fā)生爆炸，氣體爆炸傳播過(guò)程中通過(guò)這種障礙物時(shí)壓力的變化和對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響非常重要，對(duì)此專(zhuān)家學(xué)者所做研究較少。因此，本文通過(guò)運(yùn)用FLACS軟件對(duì)管道內(nèi)置薄膜的甲烷氣體爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)工況的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，來(lái)探究甲烷爆炸傳播過(guò)程中膜狀障礙物的激勵(lì)效應(yīng)。

1 膜狀障礙物激勵(lì)效應(yīng)的機(jī)理分析

根據(jù)煤礦巷道布置方式，可以建立模型(見(jiàn)圖1)，左端封閉，在管道中間設(shè)置1塊膜狀物，將巷道隔成2段，在第1段端部點(diǎn)火，根據(jù)氣體爆炸點(diǎn)火及傳播特性，則此存在膜狀障礙物的瓦斯爆炸傳播過(guò)程可以分成3個(gè)階段。

第1階段：管道點(diǎn)火及傳播過(guò)程。當(dāng)左端火源點(diǎn)火以后，氣體爆炸即開(kāi)始由鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)入燃燒階段。由于燃燒產(chǎn)生的熱量，管內(nèi)壓力P迅速升高，由于氣體的可壓縮性，在壓力作用下，形成激波；激波由前驅(qū)沖擊波和伴隨燃燒波組成，燃燒波行進(jìn)速度決定于火焰速度υ。對(duì)于甲烷氣體，燃燒波和前驅(qū)沖擊波之間有一段間隔，也就是說(shuō)，甲烷一般處于爆燃狀態(tài)。由于第1段管道前段有隔膜存在，膜狀障礙物的抗沖擊性強(qiáng)的特性，導(dǎo)致其會(huì)阻擋前驅(qū)沖擊波，產(chǎn)生反射波，兩者疊加，會(huì)導(dǎo)致爆炸沖擊波波陣面壓力成倍增加。

圖1 機(jī)理模型分析Fig.1 Analysis of mechanism model

第2階段：破膜過(guò)程。隔膜的物質(zhì)特性造成對(duì)燃燒波很難阻擋，會(huì)很快破裂，因此燃燒波到達(dá)隔膜附近，將使隔膜很快破裂，進(jìn)入第2階段。燃燒波是一種帶有壓力的火焰波，導(dǎo)致破膜過(guò)程極其短暫。

第3階段：前驅(qū)沖擊波和燃燒波進(jìn)入第2段管道，是處于帶壓燃燒階段。經(jīng)過(guò)障礙物時(shí)誘發(fā)成湍流現(xiàn)象，湍流增大沖擊波傳播速度，加速未燃?xì)怏w壓縮，使爆炸壓力不斷上升[13-14]?；鹧嬖谡系K物附近形成高梯度的粘性邊界層，火焰陣面扭曲拉伸，這導(dǎo)致燃燒速度加快，前驅(qū)沖擊波和燃燒波距離迅速縮短，在可能情況下，2個(gè)波陣面融合在一起，導(dǎo)致爆轟現(xiàn)象發(fā)生。與沒(méi)有設(shè)置隔膜相比，在管道出口處，壓力和火焰速度增加幾倍甚至幾十倍，形成新的激勵(lì)現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)膜狀障礙物激勵(lì)效應(yīng)形成機(jī)理分析，采用FLACS軟件，對(duì)弱點(diǎn)火源引發(fā)下的管道內(nèi)甲烷氣體爆炸傳播過(guò)程中遇到膜狀障礙物的激勵(lì)效應(yīng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬采用的物理模型(見(jiàn)圖2)為實(shí)驗(yàn)室平直矩形激波管道，所用實(shí)驗(yàn)管內(nèi)徑為180 mm，管壁厚10 mm，每段爆炸激波管長(zhǎng)度均為2.5 m，共14段，管長(zhǎng)為35 m，最右端連接泄爆倉(cāng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)物理模型Fig.2 Experimental physical model

2.1 邊界條件設(shè)置

結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在CASD處理器中設(shè)置相應(yīng)物理模型，建立管外徑為200 mm×200 mm，內(nèi)徑為180 mm×180 mm的三維矩形管道，壁厚10 mm，物理模型見(jiàn)圖3。

圖3 物理模型Fig.3 Physical model

第1區(qū)域端部點(diǎn)火的點(diǎn)火能量設(shè)置為5 J。同時(shí)進(jìn)行了以下合理的簡(jiǎn)化假設(shè)：

1)點(diǎn)火前矩形管道內(nèi)為甲烷氣體和空氣均勻的混合理想氣體且混合氣體處于常溫常壓靜止?fàn)顟B(tài)，甲烷濃度采用最佳濃度比9.5%。管道內(nèi)預(yù)混氣體滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程。

2)甲烷爆炸過(guò)程為絕熱過(guò)程，管道壁面設(shè)置為光滑絕熱壁面，溫度為300 K。忽略預(yù)混氣體與壁面及外界的熱交換。

3)忽略壁面與甲烷氣體流動(dòng)的流固耦合作用，壁面處理為剛性壁面[15]。

4)假設(shè)甲烷爆炸反應(yīng)為單步不可逆過(guò)程，忽略反應(yīng)過(guò)程的中間產(chǎn)物。

5)沖擊波遇到薄膜時(shí)實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生振蕩，薄膜并非被沖擊波一次沖破，由于薄膜易被擊穿，本文對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略沖擊波的多次振蕩作用。

2.2 模擬過(guò)程及結(jié)果

為提高軟件的計(jì)算速度，環(huán)境溫度設(shè)為20℃，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.02 m×0.02 m×0.02 m，在X，Y，Z軸方向上分別劃分1 777，11，11根網(wǎng)格線(xiàn)，模型共劃分為215 017個(gè)網(wǎng)格。

分別進(jìn)行工況0管體中無(wú)膜、甲烷濃度為最佳濃度比9.5%和工況1在管體21.38，35.18 m處加膜，甲烷濃度分別為9.5%，5.5% 2種工況下甲烷爆炸傳播過(guò)程的數(shù)值模擬。點(diǎn)火點(diǎn)為管道最左端(0.01,0.11,0.11)處。模擬過(guò)程中對(duì)薄膜障礙物的處理選擇泄壓板面板，類(lèi)型為彈窗，子尺寸為0.18 m×0.18 m，面積和重量分別為0.032 m2和0.050 kg/m2，阻力系數(shù)設(shè)為2.000。在管道模型中共定義14個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位置分別為：MP1(34.08,0.11,0.19), MP2(31.80,0.11,0.19),MP3(29.3,0.11,0.19),MP4(26.8,0.11,0.19),MP5(24.3,0.11,0.19),MP6(18.16,0.11,0.19),MP7(14.83,0.11,0.19),MP8(9.83,0.11,0.19),MF1(34.08,0.11,0.03),MF2(31.80,0.11,0.03),MF3(29.3,0.11,0.03),MF4(26.8,0.11,0.03),MF5(24.3,0.11,0.03),MF6(18.16,0.11, 0.03)。觀(guān)測(cè)點(diǎn)示意如圖4所示。

圖4 觀(guān)測(cè)點(diǎn)示意Fig.4 Schematic diagram of observation points

FLACS軟件在每個(gè)單元格內(nèi)計(jì)算氣體的燃燒和爆炸運(yùn)動(dòng)過(guò)程，整合所有單元格，最后得到整個(gè)模擬空間的爆炸結(jié)果[16]。輸出2種工況下主要觀(guān)測(cè)點(diǎn)的爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間的變化，如圖5～6所示。

3 實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)研究以封閉的平直矩形激波管(見(jiàn)圖7)為研究對(duì)象，所用實(shí)驗(yàn)管道總長(zhǎng)35 m，每段爆炸激波管長(zhǎng)度均為2.5 m,共14段，最右端連接泄爆倉(cāng)。在泄爆倉(cāng)前端即距火源距離35.18 m處對(duì)激波管進(jìn)行BOPP薄膜隔膜處理，以充入一定濃度的甲烷氣體。在管道的21.38,35.18 m處分別放置BOPP薄膜用作模擬阻塞率為100%的可破壞性障礙物。該薄膜將矩形管道分為2個(gè)區(qū)域，并從第1區(qū)域的左端進(jìn)行電點(diǎn)火，點(diǎn)火能量采用5 J。本實(shí)驗(yàn)在爆炸激波管同一軸向位置，分別安裝10個(gè)壓力傳感器和6個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?。壓力傳感器安裝在管道上側(cè)，火焰?zhèn)鞲衅靼惭b在管道下側(cè)[17]。10個(gè)壓力傳感器安裝的位置距離點(diǎn)火端的距離依次為：6.25,8.75,13.75,16.25,18.75,23.75,26.25,28.75,31.25和 33.75 m；6個(gè)火焰?zhèn)鞲衅靼惭b的位置距離點(diǎn)火端的距離依次為：6.25,8.75,13.75,16.25,26.25和28.75 m；BOPP薄膜置于管道末端與泄爆倉(cāng)連接處，以在封閉管道內(nèi)充入一定濃度的甲烷-空氣預(yù)混氣體。

甲烷濃度比為9.5%時(shí)反應(yīng)最為激烈，故此次實(shí)驗(yàn)采用最佳甲烷濃度比為9.5%。當(dāng)甲烷濃度為9.5%時(shí)，各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果如下：

ω(CH4)=0.053；ω(O2)=0.21；ω(N2)=0.737；ω(CO2)=ω(H2O)=0

圖5 主要觀(guān)測(cè)點(diǎn)爆炸超壓變化Fig.5 Variation of explosion overpressure at main observation points

圖6 主要觀(guān)測(cè)點(diǎn)火焰速度變化Fig.6 Variation of flame velocity at main observation points

圖7 激波管道Fig.7 Shock wave tube

本實(shí)驗(yàn)工況0是矩形管道內(nèi)充滿(mǎn)濃度為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣體，初始時(shí)刻時(shí)ω(CH4)=0.053；ω(O2)=0.21；ω(N2)=0.737；ω(CO2)=ω(H2O)=0。工況1是夾膜前段區(qū)域與夾膜后段區(qū)域內(nèi)所充甲烷-空氣預(yù)混氣體濃度分別為9.5%和5.5%。

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，預(yù)混氣體爆炸發(fā)生后，激波管內(nèi)壓力波和火焰波分別作用在壓力傳感器和火焰?zhèn)鞲衅魃希⑼ㄟ^(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)采集卡上[18]。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的壓力和光信號(hào)，分析管道內(nèi)壓力變化和火焰?zhèn)鞑ニ俣萚19]，得到2種實(shí)驗(yàn)工況中位置-壓力/壓力速度曲線(xiàn)與火焰速度曲線(xiàn)，如圖8，9所示。

圖8 位置-壓力/壓力速度曲線(xiàn)Fig.8 Curves of position-pressure/pressure-velocity

圖9 火焰速度曲線(xiàn)Fig.9 Curves of flame velocity

4 結(jié)果對(duì)比分析

模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均采用1組無(wú)膜工況和加入薄膜工況進(jìn)行對(duì)比，將應(yīng)用 FLACS軟件對(duì)該爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果相比較，二者對(duì)比表明爆炸超壓的峰值與火焰?zhèn)鞑ニ俣融厔?shì)基本吻合，沖擊波在遇到可破壞障礙物發(fā)生破膜后，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O大地增加，形成更強(qiáng)烈的爆炸超壓，壓力傳播出現(xiàn)了非正常的上升趨勢(shì)，這說(shuō)明膜狀障礙物在甲烷氣體爆炸傳播過(guò)程中發(fā)生了顯著的激勵(lì)效應(yīng)。無(wú)膜工況0和加入薄膜后工況1產(chǎn)生的壓力峰值如圖10所示。

圖10 爆炸超壓實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較Fig.10 Comparison of experimental and simulated values of explosion overpressure

從圖10中可以看出，用FLACS軟件進(jìn)行模擬的爆炸產(chǎn)生的壓力峰值與爆炸實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的壓力峰值變化趨勢(shì)是一致的。從圖10(a)可以看出，工況0條件下模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果壓力變化較為平緩。工況1當(dāng)在管道21.38 m處放入薄膜時(shí)，從圖10(b)可以看出，在經(jīng)過(guò)薄膜后爆炸壓力產(chǎn)生了顯著的升高，由此可以說(shuō)明，膜狀障礙物的存在會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的激勵(lì)效應(yīng)，表現(xiàn)在壓力迅速上升，壓力峰值增大。分析認(rèn)為，加入膜狀障礙物后壓力突然升高的原因有：1)可破壞的薄膜自身屬于可燃物質(zhì)，在前一段爆炸產(chǎn)生的火焰波會(huì)引燃薄膜，增加了下一段預(yù)混氣體的起爆能，從而增加了爆炸的能量，使壓力升高；2)前一段氣體被點(diǎn)燃后，爆炸產(chǎn)生的壓力會(huì)沖破膜狀障礙物，但是薄膜自身有一定的強(qiáng)度，導(dǎo)致在一定情況下會(huì)產(chǎn)生和固體障礙物相同的激勵(lì)原理，導(dǎo)致爆炸壓力突然增大；3)濃度差的存在，起先引爆段的濃度為9.5%，后一段被引爆段的濃度為5.5%，5.5%濃度屬于甲烷發(fā)生爆炸的臨界狀態(tài)，由于第1階段爆炸后已具有一定壓力，會(huì)引起第2階段的壓縮燃燒，使燃燒速度迅速加大，燃燒比較充分，因而壓力出現(xiàn)了明顯的增加。

5 結(jié)論

1)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，若管道中存在膜狀障礙物。則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的激勵(lì)效應(yīng)，同等條件下，設(shè)有膜狀障礙物的壓力峰值約是無(wú)障礙物的6倍。

2)依照氣體燃燒和爆炸理論，膜狀障礙物激勵(lì)效應(yīng)形成是在置障處，因沖擊波疊加引起第2段氣體帶壓燃燒引爆，燃燒速度加大，甲烷氣體幾乎全部燃燒程度，導(dǎo)致壓力峰值和火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸杀对黾印?/p>

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使第2段管道內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.5%，處于爆炸下限附近，仍然會(huì)產(chǎn)生極大的爆炸超壓值。這也說(shuō)明瓦斯爆炸壓力不僅僅決定于瓦斯?jié)舛?，還決定于爆炸環(huán)境。這一結(jié)論對(duì)瓦斯爆炸事故調(diào)查和救援是有指導(dǎo)意義的。

4)由于爆炸產(chǎn)生巨大超壓值，導(dǎo)致無(wú)法用現(xiàn)有光學(xué)視窗進(jìn)行測(cè)試，下一步將在加強(qiáng)光學(xué)視窗強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步觀(guān)察膜狀障礙物激勵(lì)效應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演變機(jī)制。