褐煤爆炸沖擊氣流傳播特性與CO 生成特性數(shù)值模擬*

劉天奇

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

煤塵爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的高速傳播的沖擊氣流不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞井下作業(yè)設(shè)備，還有將設(shè)備表面和巷道地面的沉積煤塵吹揚(yáng)起來(lái)的可能，造成更具破壞力的二次甚至多次爆炸[1-2]。與此同時(shí)，由于受限空間內(nèi)氧氣不足，還會(huì)生成一定濃度的CO、CO2等有毒有害氣體[3-4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由煤塵爆炸事故造成的傷亡人員中，近70%是由于吸入了CO 毒氣產(chǎn)物[5-6]。由此可見，對(duì)煤塵爆炸沖擊氣流傳播特性和CO 毒氣產(chǎn)物生成特性展開研究，十分必要。

目前，在煤塵爆炸強(qiáng)度特性方面，Eckhoff[7]分析了粒徑分散度、粉塵云聚合度、粉塵云濃度和湍流度對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響；Elaine[8]研究了瓦斯爆炸驅(qū)動(dòng)作用下煤塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰結(jié)構(gòu)特征；Pawel 等[9]采用連通容器，研究了管體參數(shù)與管體內(nèi)部粉塵爆炸壓力特性的關(guān)系；蔡周全等[10]研究了658 m巷道中瓦斯煤塵爆炸沖擊波能量與傳播速度衰減規(guī)律；劉貞堂[11]使用20 L 球分析了煤塵爆炸火焰場(chǎng)與溫度場(chǎng)變化過(guò)程；司榮軍[6]使用大型實(shí)驗(yàn)巷道研究了煤塵爆炸火焰與壓力傳播特性；劉義等[12]使用3.2 L 管體研究了瓦斯含量、煤塵種類與粒徑對(duì)煤塵爆炸下限濃度影響作用；曹衛(wèi)國(guó)等[13]、程磊[14]分別采用半封閉豎直管、單向分叉管研究了煤塵爆炸火焰特性。綜上所述，目前在煤塵爆炸強(qiáng)度特性方面的研究已取得一定進(jìn)展，但在采用數(shù)值模擬方法分析煤塵爆炸沖擊氣流傳播特性和CO 生成特性方面，尚未充分展開。

鑒于此，本文中選取褐煤樣品，以水平玻璃管煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為依托，在建立煤塵爆炸特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)將不同時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模擬方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，模擬分析褐煤在管道空間爆炸后的沖擊氣流傳播特性和CO 毒氣產(chǎn)物生成特性，研究結(jié)果可為評(píng)估爆炸威力與破壞效應(yīng)提供參考。

1 水平管道煤塵爆炸特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證模擬方法的可靠性，便于將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開對(duì)比，因此先采用水平玻璃管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見圖1）測(cè)試不同時(shí)刻褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。該裝置主要包括玻璃管體系統(tǒng)、噴塵系統(tǒng)、高溫點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、支架導(dǎo)軌系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和管體吹掃系統(tǒng)。管長(zhǎng)1.4 m，截面內(nèi)徑80 mm，管壁厚3 mm，管壁上標(biāo)有長(zhǎng)度尺度，可使用高速攝像機(jī)收集不同時(shí)刻火焰圖像。

圖1 水平管道煤塵爆炸裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Coal dust explosion device of horizontal tube

為使煤塵顆粒形成懸浮云團(tuán)并在管內(nèi)點(diǎn)火與爆炸，設(shè)置裝置的噴塵方式為氣流攜帶式，微型空氣壓縮機(jī)會(huì)形成高壓空氣，將煤樣管中煤塵帶進(jìn)玻璃管形成懸浮云團(tuán)，在高溫鉑絲附近區(qū)域發(fā)生爆炸，高溫鉑絲距煤樣管0.2 m。初始揚(yáng)塵壓力默認(rèn)0.05 MPa，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為±0.01 MPa；高溫鉑絲點(diǎn)火溫度默認(rèn)1 100 ℃，受玻璃管工作溫度限制，點(diǎn)火溫度最高可設(shè)置1 200 ℃；每次實(shí)驗(yàn)裝入煤樣管煤塵質(zhì)量2 g，煤塵粒徑75 μm。測(cè)得不同時(shí)刻褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x見表1，其中，500 ms 時(shí)褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ブ磷钸h(yuǎn)距離74 cm。以上測(cè)試工況與測(cè)試結(jié)果為模擬分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 不同時(shí)刻爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xTable 1 Flame propagation distance of explosion at different time

2 褐煤塵云爆炸沖擊氣流傳播特性與CO 生成特性模擬分析

2.1 煤塵爆炸動(dòng)力傳播特性數(shù)學(xué)模型

2.1.1 煤塵顆粒水分析出模型

煤塵水分析出過(guò)程，可用液滴蒸發(fā)模型進(jìn)行描述。水分析出速率表達(dá)式為[15]：

2.1.2 煤塵顆粒揮發(fā)分析出模型

選取雙步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)速率模型描述揮發(fā)分析出速率，其揮發(fā)分析出速率公式為[15]：

2.1.3 煤塵顆粒揮發(fā)分湍流燃燒模型

揮發(fā)分氣體湍流燃燒過(guò)程中反應(yīng)r中物質(zhì)i的生成速率為[15]：

式中：YR為反應(yīng)物組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A為反應(yīng)速率經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取A=4.0。

2.1.4 煤塵焦炭顆粒燃燒模型

采用動(dòng)力擴(kuò)散有限速率模型描述焦炭燃燒，其中氧化物與氧化劑向顆粒表面的擴(kuò)散速率為[15]：

式中：Tp為顆粒相溫度，K；Tg為氣相溫度，K；dp為顆粒平均直徑，m。

2.1.5 爆炸空間煤塵顆粒湍流流動(dòng)模型

采用顆粒隨機(jī)軌道模型描述煤塵顆粒在氣相中的湍流流動(dòng)[16]。在笛卡爾坐標(biāo)系下（以x方向?yàn)槔╊w粒的作用力平衡方程為：

式中：up為顆粒在x方向位置，m；ρp為顆粒密度，kg/m3。

2.1.6 爆炸空間兩相輻射換熱模型

使用P-1 輻射模型描述煤塵爆炸中氣相與顆粒相的熱輻射現(xiàn)象，對(duì)于輻射熱流qr，其計(jì)算表達(dá)式為[16]：

式中：a為輻射換熱的吸收系數(shù)； σs為輻射換熱的散射系數(shù)；G為入射輻射；C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù)。

2.2 水平管道幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

使用GAMBIT 軟件按1∶1 比例構(gòu)建三維圓柱體水平直線管道幾何模型并劃分網(wǎng)格（見圖2）。玻璃管體內(nèi)徑80 mm，管長(zhǎng)1.4 m，長(zhǎng)徑比17.5，管體空間體積0.007 m3。使用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化并存的混合網(wǎng)格劃分幾何體，先將圓形側(cè)面的邊劃分40 段，再將整個(gè)幾何體以楔形體和六面體單元按Cooper 類型劃分體網(wǎng)格，體網(wǎng)格總數(shù)34 119 個(gè)。

2.3 初始條件、邊界條件與模型參數(shù)設(shè)置

2.3.1 初始條件設(shè)置

水平管道空間內(nèi)初始?jí)毫?.1 MPa，爆炸空間流場(chǎng)為不可壓縮流動(dòng)。管道空間內(nèi)流場(chǎng)初始速度為零。入射顆粒初始溫度為343 K，顆粒初始入射方向?yàn)檠貁軸正向，顆粒初始入射速度為4 m/s。定義圓柱體高溫點(diǎn)火區(qū)初始溫度為1 373 K（見圖3），用以觸發(fā)煤塵爆炸化學(xué)反應(yīng)，非點(diǎn)火區(qū)與管道內(nèi)壁初始溫度為300 K。為更貼近真實(shí)情況，考慮三維空間重力加速度，方向沿x軸負(fù)方向，大小為9.8 m/s2。

圖2 劃分網(wǎng)格的幾何模型Fig. 2 Geometry model of the mesh

圖3 初始高溫點(diǎn)火區(qū)（點(diǎn)火溫度1 373 K）Fig. 3 Initial high-temperature ignition zone (ignition temperature=1 373 K)

2.3.2 邊界條件設(shè)置

水平管道爆炸空間的邊界條件包括速度入口、壓力出口和管壁。其中，根據(jù)煤樣管內(nèi)徑、管長(zhǎng)及管內(nèi)壁粗糙度，通過(guò)計(jì)算高壓氣流流經(jīng)煤樣管時(shí)的體積流量，推導(dǎo)出入口風(fēng)速為4.31 m/s。根據(jù)煤樣管入口處氣體流動(dòng)雷諾數(shù)，推算出入口湍流強(qiáng)度為12%。另外，入口溫度為300 K，入口O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.15%；出口回流溫度為2 000 K，回流湍流強(qiáng)度為10%，出口為顆粒的逃逸邊界；石英玻璃管壁密度為2 400 kg/m3，管壁比熱為840 J/(kg·K)，管壁熱傳導(dǎo)率為173 W/(m·K)，管壁內(nèi)部輻射散射率為0.5。

2.3.3 模型參數(shù)設(shè)置

為便于驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，使用第1 節(jié)中褐煤的參數(shù)進(jìn)行爆炸過(guò)程模擬。褐煤顆粒為可燃、高揮發(fā)分、粒徑75 μm 的球體，粒徑分散度符合Rosin-Rammler 函數(shù)[17]。設(shè)置煤塵比熱為1 100 J/(kg·K)，揮發(fā)分含量為36.88%，揮發(fā)分釋放溫度為773 K，煤塵顆粒表面二元擴(kuò)散系數(shù)為3×10-5m2/s，褐煤的焦炭燃盡當(dāng)量比為2.67，焦炭中可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.7%，焦炭燃燒釋放熱量為3.29×107J/kg。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果的精度檢驗(yàn)

為驗(yàn)證使用FLUENT 軟件模擬的可靠性，以不同時(shí)刻水平管道空間褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖4 所示的不同時(shí)刻沿z方向y=0 截面火焰溫度云圖，分析可知：t=0.1 s 時(shí)，火焰?zhèn)鞑?.36 m，此時(shí)煤塵顆粒剛剛運(yùn)移出高溫點(diǎn)火區(qū)；t=0.125，0.25，0.375 s 時(shí)，火焰分別傳播至0.46、0.56、0.74 m，這3 個(gè)時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x實(shí)測(cè)值分別為0.47、0.60、0.65 m，對(duì)比可知最大誤差0.09 m，最小誤差0.01 m，達(dá)到了模擬精度要求。

圖4 不同時(shí)刻y=0 截面火焰溫度云圖Fig. 4 Flame temperature's nephogram of y=0 cross section at different time

2.5 爆炸反應(yīng)充分時(shí)沿z 方向沖擊氣流傳播速度模擬分析

圖5～6 分別為模擬得到的爆炸反應(yīng)充分（t=0.5 s）時(shí)y=0 截面上爆炸沖擊氣流傳播速度的云圖與等值線圖，從中可分析沖擊氣流傳播速度沿z軸0～1.4 m 分布特征：z=0～0.1 m 為冷態(tài)流場(chǎng)，既不在高溫點(diǎn)火區(qū)，又不在爆炸傳播下行空間，煤塵顆粒在煤樣管內(nèi)初始揚(yáng)塵壓力作用下進(jìn)入玻璃管，在z=0～0.1 m范圍沖擊氣流傳播速度約4 m/s，與煤塵顆粒初始入射速度基本保持一致；z=0.1～0.42 m 為爆炸沖擊氣流傳播速度躍升區(qū)，氣流傳播速度沿z軸正向由4 m/s 快速增大至13 m/s，而z=0.1～0.3 m 為高溫點(diǎn)火區(qū)，說(shuō)明爆炸反應(yīng)對(duì)沖擊氣流傳播速度的促進(jìn)作用十分明顯；z=0.42～0.98 m 為沖擊氣流高速傳播區(qū)，傳播速度達(dá)最大，約14 m/s，該區(qū)段涵蓋了爆炸火焰高溫核心區(qū)z=0.56～0.86 m，證明了沖擊氣流的高速傳播增大了火焰高溫的擴(kuò)散范圍，也說(shuō)明高溫火焰與高速?zèng)_擊氣流作為煤塵爆炸的兩項(xiàng)重要傳播特性，具有密切的伴生關(guān)系，氣流可以攜帶火焰的熱量繼續(xù)傳播，火焰的熱量也可使氣流膨脹，加速其傳播；z=0.98～1.4 m 為沖擊氣流緩沖區(qū)，其傳播速度逐漸變小。綜上分析，以爆炸沖擊氣流傳播特性為基礎(chǔ)，將爆炸管體空間劃分為初始揚(yáng)塵區(qū)（z=0～0.1 m）、速度躍升區(qū)（z=0.1～0.42 m）、高速傳播區(qū)（z=0.42～0.98 m）和氣流緩沖區(qū)（z=0.98～1.4 m）。

圖5 y=0 截面沖擊氣流傳播速度云圖Fig. 5 Impinging airflow propagation velocity's nephogram of y=0 cross section

圖6 y=0 截面沖擊氣流傳播速度等值線圖Fig. 6 Impinging airflow propagation velocity's contour of y=0 cross section

2.6 爆炸反應(yīng)充分時(shí)沿z 方向不同截面沖擊氣流傳播速度模擬分析

圖7 為沿z軸0～1.4 m 范圍內(nèi)每隔0.2 m 切片截面上沖擊氣流傳播速度分布情況。由于z=0.1～0.3 m為高溫點(diǎn)火區(qū)，煤塵顆粒在z=0.2 m 與z=0.4 m 截面上已經(jīng)開始發(fā)生爆炸反應(yīng)，因此在兩截面均呈現(xiàn)出距離圓心越遠(yuǎn)（即距管壁越近），沖擊氣流傳播速度越大的變化趨勢(shì)，這主要是由流體流動(dòng)的壁面效應(yīng)導(dǎo)致的。由于管壁壁面附近的空隙率大于流體內(nèi)部，流動(dòng)時(shí)所受阻力比較小，因此出現(xiàn)沖擊氣流在近壁處流速較大的分布特征。由于z=0.4 m 截面相比于z=0.2 m，更接近于爆炸核心區(qū)z=0.56～0.86 m，因此z=0.4 m截面上沖擊氣流傳播速度整體上更大。z=0.6 m 與z=0.8 m 均位于爆炸核心區(qū)內(nèi)，兩截面上沖擊氣流傳播速度與高速氣流分布范圍相比于其他截面均更大。z=1 m、z=1.2 m 與z=1.4 m 均位于爆炸核心區(qū)下行傳播范圍，其截面上呈現(xiàn)出距離圓心越近沖擊氣流傳播速度越大的特點(diǎn)，說(shuō)明這3 個(gè)截面上爆炸沖擊氣流空間傳播效應(yīng)比壁面效應(yīng)更顯著，且距離爆炸核心區(qū)越遠(yuǎn)，截面上沖擊氣流傳播速度整體越小，這與實(shí)際情況相符。

圖7 沿z 方向不同距離管道截面沖擊氣流傳播速度云圖Fig. 7 Impinging airflow propagation velocity's nephogram at different positions along z direction

2.7 爆炸反應(yīng)充分時(shí)CO 毒氣產(chǎn)物生成特性模擬分析

在t=0.5 s 爆炸反應(yīng)充分時(shí)，管體內(nèi)y=0 截面上CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況如圖8 所示。管體內(nèi)z=0.3～0.6 m為CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)最高的空間范圍，局部最高達(dá)到0.024%～0.026%，說(shuō)明這段空間內(nèi)煤塵爆炸反應(yīng)消耗了更多的O2，這與z=0.1～0.3 m 為高溫點(diǎn)火區(qū)域有直接關(guān)系；0.6 m＜z＜1.4 m 范圍內(nèi)，距離爆源點(diǎn)越遠(yuǎn)，CO 氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸變小，而且在z＞0.7 m 后，煤塵顆粒在重力作用下具有向管體底部集中的趨勢(shì)，因此爆炸反應(yīng)CO 毒氣產(chǎn)物在截面分布上有下沉的趨勢(shì)；另外，爆炸生成的高溫氣體在受到沿z軸正向的推動(dòng)力的同時(shí)，還在高溫膨脹的作用下受到向上的浮力，在兩種力共同作用下，高溫氣體會(huì)在z＞0.7 m 范圍內(nèi)貼近管壁上方運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致反應(yīng)相對(duì)不完全、溫度相對(duì)較低的CO 氣體產(chǎn)物出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)。不同CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)環(huán)境下的人體反應(yīng)見表2，模擬顯示的CO 氣體局部最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.026%，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后管體吹掃功能可將CO 毒氣帶至室外，可以保證實(shí)驗(yàn)人員的安全。

圖9 為沿z方向不同距離處管道截面上CO 氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，從中可分析與z軸垂直的管道截面上CO 分布情況。由z=0.2 m，z=0.4 m，z=0.6 m 截面看出：z=0.2 m 截面上圓心外圍部分區(qū)域、z=0.4 m截面上圓心附近部分區(qū)域及z=0.6 m 截面上圓心附近小范圍區(qū)域，是CO 氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大區(qū)域，這與前文分析結(jié)果是一致的。在0.8 m≤z≤1.4 m 范圍內(nèi)，管體下半部分的CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于上半部分，可從兩個(gè)方面對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行解釋：一方面，說(shuō)明煤塵顆粒受到重力作用，在管體0.8 m≤z≤1.4 m空間內(nèi)出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)，使爆炸反應(yīng)集中于管體下半部分，導(dǎo)致管體下半部分氧氣量不足，從而相比于管體上半部分，生成了更大質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CO 氣體；另一方面，高溫氣體受到浮力的作用，會(huì)貼近管壁上方運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而造成反應(yīng)相對(duì)不完全的CO 氣體產(chǎn)物出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)。

圖8 y=0 截面CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖Fig. 8 Mass fraction's nephogram of CO in y=0 cross section

表2 人體在CO 氣體環(huán)境下的反應(yīng)Table 2 Human reactions under condition of CO

圖9 沿z 方向不同距離管道截面CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖Fig. 9 Mass fraction's nephogram of CO at different positions along z direction

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)比不同時(shí)刻褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的模擬值與實(shí)測(cè)值，驗(yàn)證模擬方法的可靠性。結(jié)果表明，不同時(shí)刻爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的模擬值與實(shí)測(cè)值最大誤差0.09 m，最小誤差0.01 m，達(dá)到了模擬精度要求，驗(yàn)證了數(shù)值模擬煤塵爆炸沖擊氣流傳播特性和CO 生成特性的可行性。

（2）模擬分析了爆炸反應(yīng)充分時(shí)y=0 截面上和沿z方向不同截面上的沖擊氣流傳播特性。研究發(fā)現(xiàn)：以沖擊氣流傳播特性為基礎(chǔ)，z=0～0.1 m 為初始揚(yáng)塵區(qū)，z=0.1～0.42 m 為沖擊氣流速度躍升區(qū)，z=0.42～0.98 m 為沖擊氣流高速傳播區(qū)，z=0.98～1.4 m 為沖擊氣流緩沖區(qū)。此外，由于z=0.2 m 與z=0.4 m截面上爆炸反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生，因此兩截面上距圓心越遠(yuǎn)，沖擊氣流傳播速度越大，這是由流體流動(dòng)的壁面效應(yīng)導(dǎo)致的。壁面附近空隙率大于流體內(nèi)部，流動(dòng)時(shí)所受阻力比較小，因此出現(xiàn)沖擊氣流在近壁處流速較大的分布特征。z=1 m、z=1.2 m 與z=1.4 m 均位于爆炸核心區(qū)下行傳播范圍，其截面上呈現(xiàn)出距離圓心越近、沖擊氣流傳播速度越大的特點(diǎn)。

（3）模擬分析了爆炸反應(yīng)充分時(shí)CO 毒氣產(chǎn)物的生成特性。管內(nèi)z=0.3～0.6 m 為CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)最高的空間范圍，局部最高達(dá)到0.024%～0.026%。在z＞0.7 m 時(shí)，由于煤塵顆粒受重力作用具有向管底集中的趨勢(shì)，同時(shí)爆炸產(chǎn)生的高溫氣體受到向上的浮力，導(dǎo)致CO 氣體產(chǎn)物出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)。而且，z=0.2 m 截面上圓心外圍部分區(qū)域、z=0.4 m 截面上圓心附近部分區(qū)域及z=0.6 m 截面上圓心附近小范圍區(qū)域，是CO 氣體產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域。以上數(shù)值模擬研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的合理有效補(bǔ)充。