障礙物形態(tài)對瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ビ绊懷芯?/h1>
2019-12-24 08:06:40郭子如丁以斌
煤炭工程 2019年12期
郭子如，方 琦，汪 泉，丁以斌
(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽省應(yīng)急管理科學(xué)研究院，安徽 合肥 230061)
煤礦井下瓦斯爆炸災(zāi)害頻繁發(fā)生，2014年，瓦斯爆炸事故發(fā)生47起，導(dǎo)致266人死亡，是各類礦山事故中后果最為嚴(yán)重的[1，2]。瓦斯爆炸方面的研究一直是專家學(xué)者們關(guān)注的熱點之一。解北京等[3]針對獨頭巷道實際情況在實驗室建立了實驗系統(tǒng)，實驗研究了點火位置對獨頭巷道瓦斯爆炸火焰參數(shù)的影響，火焰向開口端傳播速度是閉口端傳播速度的20倍左右。許浪[4]研究了井下瓦斯爆炸沖擊波衰減規(guī)律和對人員的安全距離，并統(tǒng)計分析了重特大瓦斯爆炸事故中瓦斯源、點火源、通風(fēng)系統(tǒng)及爆炸地點的一般性規(guī)律。孫建華等[5]建立了煤礦巷道瓦斯爆炸超壓預(yù)測模型，與實驗測量值進行了比較，該模型可為礦井安全設(shè)施設(shè)計、事故災(zāi)害程度評估、安全設(shè)施審查提供理論依據(jù)。尹彬等[6]以定容反應(yīng)器為模型，采用數(shù)值計算軟件CHEMKIN模擬了瓦斯爆炸前后關(guān)鍵反應(yīng)基元步及爆炸時間的變化。計算結(jié)果對比分析表明：關(guān)鍵反應(yīng)步緩慢氧化階段對瓦斯爆炸表現(xiàn)為抑制作用；加速氧化階段對瓦斯爆炸表現(xiàn)較為復(fù)雜；激烈氧化階段對瓦斯爆炸表現(xiàn)為促進作用。李暉[7]對瓦斯爆炸過程的障礙物激勵作用進行了研究，實驗和運用FLACS軟件數(shù)值模擬結(jié)果表明，井下液壓支柱和礦車的存在，增大了爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｔ缭?926年，Chapman[8]等就發(fā)現(xiàn)障礙物能加速管內(nèi)火焰?zhèn)鞑?，此后，Moen I. O.[9]和 Ibrahim S S[10]研究了平面型、立體型障礙物形狀和設(shè)置數(shù)量對火焰加速的影響。國內(nèi)葉經(jīng)方[11]對臥式燃燒方管內(nèi)楔形障礙物與 CH4/空氣預(yù)混火焰的相互作用進行了實驗研究，得到了楔形障礙物所導(dǎo)致的火焰加速與變形的內(nèi)在機理，揭示了火焰?zhèn)鞑ミ^程中由層流燃燒向湍流燃燒轉(zhuǎn)變的本質(zhì)。余立新[12]等針對乙炔-空氣混合物，研究了由于障礙物引起的火焰加速而導(dǎo)致的管內(nèi)壓力上升現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)障礙物的現(xiàn)狀有很大的影響。
管道內(nèi)瓦斯及其它可燃?xì)怏w火焰?zhèn)鞑ナ且粋€涉及氣體流動、熱交換和輻射的復(fù)雜過程?；鹧娴募铀俸蛡鞑ビ绊懸蛩刂饕姓系K物尺寸及數(shù)量、氣體種類、管道材質(zhì)等。對瓦斯爆炸現(xiàn)象的研究，大多借助于模擬巷道或?qū)嶒灩艿肋M行。由于實驗管道布設(shè)測點方便、實驗成本相對較低，并可采用數(shù)字化電測和光測技術(shù)綜合研究火焰?zhèn)鞑ミ^程，因此更多學(xué)者愿意在小型管道內(nèi)深入研究瓦斯爆炸問題，以期對火焰加速有更為深入的理解。生產(chǎn)實踐中會碰到很多立體的障礙物，比如柱形(如液壓支柱，電纜等)、長方體形(如礦車)，因此本文設(shè)立四種典型立體障礙物、三種阻塞比共12種工況進行了實驗研究，對比分析了障礙物形態(tài)對管內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑サ挠绊懗潭?。該研究對礦井瓦斯爆炸災(zāi)害的控制具有一定的實際意義。
1 實驗系統(tǒng)
實驗管道為自行設(shè)計的有機玻璃材質(zhì)全透明火焰加速管道(1500mm×100mm×100mm)，點火端封閉，另一端弱封閉[13，14]。整個實驗系統(tǒng)由配氣裝置、點火裝置、光信號測試系統(tǒng)、壓力信號測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5個部分組成，如圖1所示。
圖1 實驗系統(tǒng)示意圖
1)配氣裝置。根據(jù)Dalton分壓原理在專門的配氣裝置中粗略配置所需濃度的預(yù)混氣，再用甲烷濃度測定儀測出其精確值為8.62%，文中瓦斯氣體濃度均為此值。
2)點火裝置。采用簡易電容儲能電火花點火裝置，輸出能量控制在250～500mJ，可調(diào)。其點火電極間距為1.5mm。
3)光信號測試系統(tǒng)。采用高速攝像結(jié)合光電傳感器對火焰?zhèn)鞑ミ^程進行測試。高速攝影儀為FastCAM Super 10KC型，最大拍攝速率為10000f/s，實驗拍攝速率為1000f/s；光電傳感器由紅外感光光電二極管制成，響應(yīng)時間小于10-7s，測點布置在點火電極水平距離0，51mm，319mm，589mm，862mm，1130mm，1405mm處。
4)壓力信號測試系統(tǒng)。采用CY-DY-203型壓電式壓力傳感器測量火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的壓力。測點布置在光電傳感器同一坐標(biāo)位置，即距點火電極51mm，319mm，589mm，862mm，1130mm，1405mm處。
5)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓力傳感器信號經(jīng)YE5853A型電荷放大器放大后，由HIOKI8841數(shù)字存儲記錄儀采集記錄，該記錄儀具有16個獨立通道，采樣速率達(dá)106s-1；而光電傳感器信號電壓值較大，直接由記錄儀采集。
實驗選用同材質(zhì)的平板、正三棱柱、長方體、圓柱體四種形態(tài)障礙物，每次實驗放置一個障礙物，且與點火端相距190mm。各障礙物長度均為100mm，四種形態(tài)障礙物的放置方式如圖2所示，其中a為20mm、40mm、60mm，即障礙物阻塞比為20%、40%、60%。
圖2 四種形態(tài)障礙物的放置方式
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 火焰跨越障礙物的高速攝影照片
火焰跨越障礙物的時間段在40～60ms之間，不妨截取42ms、44ms、46ms、48ms、50ms、55ms、60ms時刻高速攝像照片將其等比例疊合成，如圖3所示。分析圖3可以看出，不同形態(tài)障礙物下火焰開始跨越障礙物的時間近似相同(在40ms左右)，說明障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑コ跗谟绊懗潭容^小，同樣可從圖4中的火焰速率曲線的前段看出。對于平板和正三棱柱而言，在障礙物前后分別形成兩個方向相反的渦團，而正三棱柱由于兩個外表面向上或向下傾斜，相當(dāng)于兩個導(dǎo)流面，氣流受壁面粘滯作用很容易形成尺度較大的渦團，高速攝影照片顯示其渦團輪廓清晰，這些較大尺度渦團的存在能增加湍流程度，加速火焰?zhèn)鞑ニ俾?。相對而言，長方體和圓柱體形成的渦團尺度較小，對火焰加速影響相對較小。從圖像還可以看出，火焰跨越不同形態(tài)障礙物經(jīng)歷的時間基本相同，只有當(dāng)火焰經(jīng)障礙物繞流后傳播速率才會有一定程度的差異。
圖3 火焰跨越障礙物過程的高速攝影圖片(40%阻塞比)
2.2 障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懬€如圖4所示，分析圖4可知，管內(nèi)有障礙物存在時能顯著增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?，但不同形態(tài)障礙物加速火焰?zhèn)鞑サ某潭扔兴煌?。在三種阻塞比下，均呈現(xiàn)出平板及正三棱柱障礙物加速火焰程度較大，長方體次之，而圓柱體較小。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因：首先，由于障礙物對火焰面前方的氣流有一定的阻礙作用，在火焰尚未傳至障礙物時，就已在障礙物兩側(cè)形成很高的壓力梯度，會使火焰運動經(jīng)障礙物后得到一定的加速；其次，由于火焰面?zhèn)髦琳系K物時，在障礙物表面形成高粘性邊界層作用，使得火焰面扭曲變形，增加了有效燃燒面積，導(dǎo)致甲烷在單位時間內(nèi)燃燒放出更多熱量，促使管內(nèi)壓力升高，從而更快地推動火焰面向前運動。當(dāng)然，不同形態(tài)障礙物所形成的表面高粘性邊界層形狀不同，使火焰扭曲程度也不一樣。對于平板、正三棱柱其外表面曲率變化較大，長方體次之，圓柱體較小，而不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俾视绊懗潭扰c曲率變化相對應(yīng)。據(jù)此可以推測：對于同阻塞比下同材質(zhì)障礙物來說，障礙物外表面曲率變化越大，其對火焰?zhèn)鞑ニ俾视绊懺酱螅徽系K物表面越不規(guī)則，導(dǎo)致的氣體流動湍流化程度越嚴(yán)重，對火焰的加速越明顯。從圖4還可看出，隨著障礙物阻塞比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾臃仍龃螅?0%阻塞比下，火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾又饾u呈線性趨勢。
圖4 不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懬€
2.3 障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑ミ^程中超壓的影響
不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ミ^程中超壓的影響曲線如圖5所示，分析圖5可知，在相同阻塞比下，障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑ミ^程中管內(nèi)峰值壓力的影響與對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懸?guī)律基本一致，表現(xiàn)為平板、正三棱柱障礙物影響較大，長方體次之，圓柱體較小。同時，測點峰值超壓曲線呈現(xiàn)出“M”狀，位于開口端的超壓值下降明顯，而峰值超壓最大值出現(xiàn)在管道的中后端，說明管內(nèi)甲烷燃燒存在一定的振蕩性，從而導(dǎo)致壓力的波動，而在開口端卸放作用下，將導(dǎo)致壓力顯著下降。從圖5還可看出，有障礙物相對空管道管內(nèi)峰值超壓約增加一倍，在2.026×105Pa左右，但由障礙物形態(tài)或阻塞比不同而造成管內(nèi)超壓差異要小于相同條件下火焰?zhèn)鞑ニ俾手g的差異。
圖5 不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ミ^程中超壓的影響曲線
3 結(jié) 論
1)不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ビ绊懗潭炔煌?，從火焰?zhèn)鞑ニ俣燃俺瑝簲?shù)值來看，平板、正三棱柱影響較大，長方體次之，而圓柱體影響最小。
2)從實驗結(jié)果分析得出：在相同阻塞比條件下，障礙物外表面曲率變化越大，其對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懺酱?；障礙物表面越不規(guī)則，導(dǎo)致的氣體流動湍流化程度越嚴(yán)重，對火焰的加速越明顯。
3)障礙物存在對火焰?zhèn)鞑コ跗谟绊戄^小，只有當(dāng)火焰經(jīng)障礙物繞流后傳播速率才會有明顯的增加，而障礙物形態(tài)不同對管內(nèi)最大超壓的影響差異不明顯。
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煤礦井下瓦斯爆炸災(zāi)害頻繁發(fā)生，2014年，瓦斯爆炸事故發(fā)生47起，導(dǎo)致266人死亡，是各類礦山事故中后果最為嚴(yán)重的[1，2]。瓦斯爆炸方面的研究一直是專家學(xué)者們關(guān)注的熱點之一。解北京等[3]針對獨頭巷道實際情況在實驗室建立了實驗系統(tǒng)，實驗研究了點火位置對獨頭巷道瓦斯爆炸火焰參數(shù)的影響，火焰向開口端傳播速度是閉口端傳播速度的20倍左右。許浪[4]研究了井下瓦斯爆炸沖擊波衰減規(guī)律和對人員的安全距離，并統(tǒng)計分析了重特大瓦斯爆炸事故中瓦斯源、點火源、通風(fēng)系統(tǒng)及爆炸地點的一般性規(guī)律。孫建華等[5]建立了煤礦巷道瓦斯爆炸超壓預(yù)測模型，與實驗測量值進行了比較，該模型可為礦井安全設(shè)施設(shè)計、事故災(zāi)害程度評估、安全設(shè)施審查提供理論依據(jù)。尹彬等[6]以定容反應(yīng)器為模型，采用數(shù)值計算軟件CHEMKIN模擬了瓦斯爆炸前后關(guān)鍵反應(yīng)基元步及爆炸時間的變化。計算結(jié)果對比分析表明：關(guān)鍵反應(yīng)步緩慢氧化階段對瓦斯爆炸表現(xiàn)為抑制作用；加速氧化階段對瓦斯爆炸表現(xiàn)較為復(fù)雜；激烈氧化階段對瓦斯爆炸表現(xiàn)為促進作用。李暉[7]對瓦斯爆炸過程的障礙物激勵作用進行了研究，實驗和運用FLACS軟件數(shù)值模擬結(jié)果表明，井下液壓支柱和礦車的存在，增大了爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｔ缭?926年，Chapman[8]等就發(fā)現(xiàn)障礙物能加速管內(nèi)火焰?zhèn)鞑?，此后，Moen I. O.[9]和 Ibrahim S S[10]研究了平面型、立體型障礙物形狀和設(shè)置數(shù)量對火焰加速的影響。國內(nèi)葉經(jīng)方[11]對臥式燃燒方管內(nèi)楔形障礙物與 CH4/空氣預(yù)混火焰的相互作用進行了實驗研究，得到了楔形障礙物所導(dǎo)致的火焰加速與變形的內(nèi)在機理，揭示了火焰?zhèn)鞑ミ^程中由層流燃燒向湍流燃燒轉(zhuǎn)變的本質(zhì)。余立新[12]等針對乙炔-空氣混合物，研究了由于障礙物引起的火焰加速而導(dǎo)致的管內(nèi)壓力上升現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)障礙物的現(xiàn)狀有很大的影響。
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1 實驗系統(tǒng)
實驗管道為自行設(shè)計的有機玻璃材質(zhì)全透明火焰加速管道(1500mm×100mm×100mm)，點火端封閉，另一端弱封閉[13，14]。整個實驗系統(tǒng)由配氣裝置、點火裝置、光信號測試系統(tǒng)、壓力信號測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5個部分組成，如圖1所示。
圖1 實驗系統(tǒng)示意圖
1)配氣裝置。根據(jù)Dalton分壓原理在專門的配氣裝置中粗略配置所需濃度的預(yù)混氣，再用甲烷濃度測定儀測出其精確值為8.62%，文中瓦斯氣體濃度均為此值。
2)點火裝置。采用簡易電容儲能電火花點火裝置，輸出能量控制在250～500mJ，可調(diào)。其點火電極間距為1.5mm。
3)光信號測試系統(tǒng)。采用高速攝像結(jié)合光電傳感器對火焰?zhèn)鞑ミ^程進行測試。高速攝影儀為FastCAM Super 10KC型，最大拍攝速率為10000f/s，實驗拍攝速率為1000f/s；光電傳感器由紅外感光光電二極管制成，響應(yīng)時間小于10-7s，測點布置在點火電極水平距離0，51mm，319mm，589mm，862mm，1130mm，1405mm處。
4)壓力信號測試系統(tǒng)。采用CY-DY-203型壓電式壓力傳感器測量火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的壓力。測點布置在光電傳感器同一坐標(biāo)位置，即距點火電極51mm，319mm，589mm，862mm，1130mm，1405mm處。
5)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓力傳感器信號經(jīng)YE5853A型電荷放大器放大后，由HIOKI8841數(shù)字存儲記錄儀采集記錄，該記錄儀具有16個獨立通道，采樣速率達(dá)106s-1；而光電傳感器信號電壓值較大，直接由記錄儀采集。
實驗選用同材質(zhì)的平板、正三棱柱、長方體、圓柱體四種形態(tài)障礙物，每次實驗放置一個障礙物，且與點火端相距190mm。各障礙物長度均為100mm，四種形態(tài)障礙物的放置方式如圖2所示，其中a為20mm、40mm、60mm，即障礙物阻塞比為20%、40%、60%。
圖2 四種形態(tài)障礙物的放置方式
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 火焰跨越障礙物的高速攝影照片
火焰跨越障礙物的時間段在40～60ms之間，不妨截取42ms、44ms、46ms、48ms、50ms、55ms、60ms時刻高速攝像照片將其等比例疊合成，如圖3所示。分析圖3可以看出，不同形態(tài)障礙物下火焰開始跨越障礙物的時間近似相同(在40ms左右)，說明障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑コ跗谟绊懗潭容^小，同樣可從圖4中的火焰速率曲線的前段看出。對于平板和正三棱柱而言，在障礙物前后分別形成兩個方向相反的渦團，而正三棱柱由于兩個外表面向上或向下傾斜，相當(dāng)于兩個導(dǎo)流面，氣流受壁面粘滯作用很容易形成尺度較大的渦團，高速攝影照片顯示其渦團輪廓清晰，這些較大尺度渦團的存在能增加湍流程度，加速火焰?zhèn)鞑ニ俾?。相對而言，長方體和圓柱體形成的渦團尺度較小，對火焰加速影響相對較小。從圖像還可以看出，火焰跨越不同形態(tài)障礙物經(jīng)歷的時間基本相同，只有當(dāng)火焰經(jīng)障礙物繞流后傳播速率才會有一定程度的差異。
圖3 火焰跨越障礙物過程的高速攝影圖片(40%阻塞比)
2.2 障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懬€如圖4所示，分析圖4可知，管內(nèi)有障礙物存在時能顯著增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?，但不同形態(tài)障礙物加速火焰?zhèn)鞑サ某潭扔兴煌?。在三種阻塞比下，均呈現(xiàn)出平板及正三棱柱障礙物加速火焰程度較大，長方體次之，而圓柱體較小。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因：首先，由于障礙物對火焰面前方的氣流有一定的阻礙作用，在火焰尚未傳至障礙物時，就已在障礙物兩側(cè)形成很高的壓力梯度，會使火焰運動經(jīng)障礙物后得到一定的加速；其次，由于火焰面?zhèn)髦琳系K物時，在障礙物表面形成高粘性邊界層作用，使得火焰面扭曲變形，增加了有效燃燒面積，導(dǎo)致甲烷在單位時間內(nèi)燃燒放出更多熱量，促使管內(nèi)壓力升高，從而更快地推動火焰面向前運動。當(dāng)然，不同形態(tài)障礙物所形成的表面高粘性邊界層形狀不同，使火焰扭曲程度也不一樣。對于平板、正三棱柱其外表面曲率變化較大，長方體次之，圓柱體較小，而不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俾视绊懗潭扰c曲率變化相對應(yīng)。據(jù)此可以推測：對于同阻塞比下同材質(zhì)障礙物來說，障礙物外表面曲率變化越大，其對火焰?zhèn)鞑ニ俾视绊懺酱螅徽系K物表面越不規(guī)則，導(dǎo)致的氣體流動湍流化程度越嚴(yán)重，對火焰的加速越明顯。從圖4還可看出，隨著障礙物阻塞比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾臃仍龃螅?0%阻塞比下，火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾又饾u呈線性趨勢。
圖4 不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懬€
2.3 障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑ミ^程中超壓的影響
不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ミ^程中超壓的影響曲線如圖5所示，分析圖5可知，在相同阻塞比下，障礙物形態(tài)對火焰?zhèn)鞑ミ^程中管內(nèi)峰值壓力的影響與對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懸?guī)律基本一致，表現(xiàn)為平板、正三棱柱障礙物影響較大，長方體次之，圓柱體較小。同時，測點峰值超壓曲線呈現(xiàn)出“M”狀，位于開口端的超壓值下降明顯，而峰值超壓最大值出現(xiàn)在管道的中后端，說明管內(nèi)甲烷燃燒存在一定的振蕩性，從而導(dǎo)致壓力的波動，而在開口端卸放作用下，將導(dǎo)致壓力顯著下降。從圖5還可看出，有障礙物相對空管道管內(nèi)峰值超壓約增加一倍，在2.026×105Pa左右，但由障礙物形態(tài)或阻塞比不同而造成管內(nèi)超壓差異要小于相同條件下火焰?zhèn)鞑ニ俾手g的差異。
圖5 不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ミ^程中超壓的影響曲線
3 結(jié) 論
1)不同形態(tài)障礙物對火焰?zhèn)鞑ビ绊懗潭炔煌?，從火焰?zhèn)鞑ニ俣燃俺瑝簲?shù)值來看，平板、正三棱柱影響較大，長方體次之，而圓柱體影響最小。
2)從實驗結(jié)果分析得出：在相同阻塞比條件下，障礙物外表面曲率變化越大，其對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懺酱?；障礙物表面越不規(guī)則，導(dǎo)致的氣體流動湍流化程度越嚴(yán)重，對火焰的加速越明顯。
3)障礙物存在對火焰?zhèn)鞑コ跗谟绊戄^小，只有當(dāng)火焰經(jīng)障礙物繞流后傳播速率才會有明顯的增加，而障礙物形態(tài)不同對管內(nèi)最大超壓的影響差異不明顯。
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