不同強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h1>
2021-03-24 02:21:08張子陽(yáng)潘榮錕余明高陳立偉溫小萍
煤炭學(xué)報(bào) 2021年2期
裴 蓓，張子陽(yáng)，潘榮錕，余明高，陳立偉，溫小萍
(1.河南理工大學(xué) 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003; 2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)
瓦斯爆炸是影響煤礦安全生產(chǎn)的“頭號(hào)殺手”。煤礦中重大爆炸事故往往是由瓦斯、煤塵共同參與爆炸引起的，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過(guò)程中不斷卷吸巷道四周沉積煤塵，形成分布不均勻的可燃性粉塵云，隨之受到高溫火焰面引燃，以不間斷爆炸的形式傳播[1]，導(dǎo)致瓦斯/煤塵爆炸具有更高破壞性。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯/煤塵爆炸特性及其影響因素展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。司榮軍[2]、李慶釗[3]、屈姣[4]、李潤(rùn)之[5]、HUéSCAR MEDINA[6]、ZHAO Peng[7]、湯其建[8]、王博[9]、王育德[10]、王洪雨[11]、宮廣東[12]、畢明樹(shù)[13]等研究了甲烷含量、揮發(fā)分、煤塵粒度、分散度、質(zhì)量濃度等對(duì)不同揮發(fā)分煤塵爆炸濃度下限、爆炸壓力、點(diǎn)火能等影響，指出甲烷的存在使甲烷/煤塵混合物點(diǎn)火的下限降低，最大壓力上升速率增大，爆炸持續(xù)時(shí)間明顯縮短;煤塵爆炸下限隨揮發(fā)分增大而減小;點(diǎn)火下限隨點(diǎn)火能量的增加而降低，隨煤塵揮發(fā)分的減小而上升，隨煤塵粒度的減小而降低;煤塵粒徑越小，分散度越大，爆炸下限降低且爆炸壓力升高。陳東梁等[14-15]研究了燃料組分構(gòu)成、煤塵粒徑和煤塵種類對(duì)甲烷/煤塵復(fù)合體系燃燒反應(yīng)特性和火焰結(jié)構(gòu)的影響。LIU等[16]研究表明:煤塵和甲烷共存顯著提高了火焰的傳播速度和最大火焰溫度，大大高于單一煤塵火焰的傳播速度和最大火焰溫度。陸守香等[17]研究發(fā)現(xiàn)氣粉復(fù)合火焰是由氣體火焰、粉塵火焰和反向傳播的粉塵火焰構(gòu)成瞬態(tài)的三波陣面結(jié)構(gòu)。
董呈杰[18]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)管道內(nèi)的甲烷氣相爆炸和甲烷/煤塵混合爆炸過(guò)程進(jìn)行了研究。CAO等[19-20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了半封閉垂直燃燒管中煤塵爆炸過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑バ袨楹蜔彷椛湫?yīng)，結(jié)果表明:隨著管長(zhǎng)的增加，火焰的最高傳播速度和最大火焰溫度均逐漸增加。李海濤等[21]構(gòu)建了豎直管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混擴(kuò)散及爆炸物理數(shù)學(xué)模型，對(duì)管道內(nèi)甲烷/煤塵的擴(kuò)散特征和爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混湍流特征及爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。
沖擊波誘導(dǎo)煤塵爆炸方面，HOUIM等[22]研究了鋪設(shè)煤塵層稀薄致度密對(duì)爆炸結(jié)構(gòu)與火焰速度的影響。結(jié)果表明:松散的煤塵層比致密層更危險(xiǎn)，沖擊波和火焰波更強(qiáng)烈地耦合于松散的煤塵層，以更高的速度傳播，并產(chǎn)生大的過(guò)壓和脈沖。朱傳杰、林柏泉等[23-24]研究了沉積粉塵密度、波前流速、粉塵粒徑等對(duì)揚(yáng)塵特征的影響，分析了不同位置處的最大爆炸壓力和火焰出現(xiàn)時(shí)間，探討了氣流與沉積煤塵床相互作用的氣體動(dòng)力學(xué)機(jī)理及其誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)歷程。劉丹[25]、李潤(rùn)之[26-28]、胡雙啟[29]、尉存娟等[30]分析了瓦斯爆炸引起沉積煤塵卷?yè)P(yáng)爆炸的機(jī)理，并研究了煤塵上揚(yáng)的原因和爆炸壓力的變化規(guī)律。SONG等[31-32]為了研究局部瓦斯爆炸誘發(fā)積灰燃燒的規(guī)律，對(duì)粉塵噴射和參與瓦斯爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。
綜上所述，現(xiàn)有研究主要圍繞瓦斯/煤塵共存時(shí)爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊缺ㄌ匦哉归_(kāi)。由于煤礦瓦斯/煤塵爆炸火焰是一個(gè)由沖擊波引導(dǎo)的煤塵云火焰形成的復(fù)合體，沖擊波強(qiáng)度對(duì)沉積煤塵的卷吸效果有重要影響，而目前對(duì)復(fù)合沖擊火焰的形成與火焰加速方面的研究較少。為此，有必要進(jìn)一步研究不同爆炸強(qiáng)度下的煤塵卷吸特征，以揭示其對(duì)瓦斯/煤塵爆炸火焰加速的影響。
故此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，搭建了沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以褐煤煤粉為研究對(duì)象，分析沖擊波作用下煤塵云的卷吸特征，研究不同爆炸強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及影響因素，探討復(fù)合火焰的加速機(jī)理。
1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由方形透明有機(jī)玻璃管道、配氣系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)、高速粒子成像測(cè)速系統(tǒng)、同步控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。爆炸管道由兩根分別為150 mm×150 mm×400 mm的充氣管道和150 mm×150 mm×1 000 mm的煤塵鋪設(shè)管道連接組成，管道一端固定封閉另一端活動(dòng)封閉，兩根管道中間安裝一尺寸為150 mm×150 mm×2 mm的方形鋼板，中心位置有一直徑為100 mm的圓孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)用PVC薄膜對(duì)中間連接鋼板處和管道末端進(jìn)行密封。相比于其他形狀的孔型，圓孔對(duì)火焰產(chǎn)生的影響最低[33]，也可避免因破膜位置不同造成較大差異的卷?yè)P(yáng)效果。
配氣系統(tǒng)由2個(gè)Alicat質(zhì)量流量控制器(MFC)組成，用于控制甲烷、空氣的流速并輸送到充氣管道中。高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由 HEI19系列高能點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火電壓為 6 kV。壓力和火焰溫度采集由USB-1608FS Plus型數(shù)據(jù)采集卡、MD-HF型高頻壓力傳感器和自制R型微細(xì)熱電偶組成，壓力傳感器的量程為-0.1～0.1 MPa，綜合精度為0.25%。高速攝像圖像采集系統(tǒng)由Speed Sense VEO 710型高速攝像機(jī)、圖像控制器和圖像處理系統(tǒng)組成，最大分辨率為1 280像素×800像素，拍攝速度為2 000 fps。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system diagram
1.2 實(shí)驗(yàn)工況與方法
實(shí)驗(yàn)選用褐煤煤粉為研究對(duì)象，煤樣詳細(xì)工業(yè)分析見(jiàn)表1。甲烷的體積分?jǐn)?shù)分別為7.5%，8.5%和9.5%。實(shí)驗(yàn)前，在鋪設(shè)煤塵管段底部均勻鋪設(shè)煤塵層，其鋪粉位置離圓孔處200 mm，鋪設(shè)長(zhǎng)度為300 mm，鋪粉量為3.2 g。實(shí)驗(yàn)前，用薄膜將管道密封后，采用4倍體積排氣法向充氣管段充入CH4/Air預(yù)混氣[34]，6 min后關(guān)閉進(jìn)氣和排氣閥門并靜置15 s后點(diǎn)火。同步控制器和高速攝像機(jī)處于等待觸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)點(diǎn)火裝置啟動(dòng)后，同步開(kāi)啟高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個(gè)測(cè)試至少重復(fù)3次，以確保重復(fù)性。
表1 煤塵工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industry analysis results of coal dust %
1.3 煤粉的形狀特征與粒徑分布
實(shí)驗(yàn)選用經(jīng)300目標(biāo)準(zhǔn)篩篩分的樣品，分別采用NHT5200型激光粒度分析儀和FEI-FEG250場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)量了實(shí)際褐煤煤樣的粒徑分布情況和SEM圖像，如圖2所示。從圖2中可以看出煤粉的微觀形狀為標(biāo)準(zhǔn)的塊狀，其平均特征直徑D50為20.75 μm，表明煤塵的分散性良好。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將煤粉粉塵儲(chǔ)存在25 ℃的干燥器中24 h，以消除水分。
圖2 褐煤煤粉的粒徑分布及SEM圖像Fig.2 Particle size distribution and SEM image of lignite dust
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
2.1 不同爆炸強(qiáng)度下壓力分析
圖3為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓力-時(shí)間曲線。由圖3可以看出，甲烷被引爆后沖破管道中間的PVC薄膜，爆炸壓力曲線出現(xiàn)了第1個(gè)小峰值;之后由于沖擊波將煤塵揚(yáng)起能量損耗和加熱煤塵，致使壓力下降;當(dāng)有足夠的煤塵熱解揮發(fā)后，甲烷/煤塵復(fù)合體系的爆炸超壓驟升，由于出口端PVC薄膜破裂泄壓，達(dá)到壓力平衡后出現(xiàn)壓力最大值;此后由于負(fù)壓作用，火焰沖出管道后負(fù)壓回吸新鮮空氣，繼續(xù)卷?yè)P(yáng)剩余的煤粉燃燒，如此反復(fù)，致使壓力曲線出現(xiàn)了衰減性振蕩。結(jié)合圖4中3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓升速率-時(shí)間曲線可以看出，壓升速率曲線也呈振蕩態(tài)勢(shì)，且最大壓力上升速率出現(xiàn)在第2個(gè)燃燒波，說(shuō)明對(duì)于氣粉兩相爆炸體系，爆炸泄壓后因新鮮空氣回吸且管道內(nèi)留存較多煤粉，后續(xù)還可發(fā)生多次爆炸。為了利用PIV獲得清晰的煤塵粒子分布圖像，煤粉鋪粉量?jī)H為3.2 g，如果鋪粉量增加，強(qiáng)爆炸時(shí)將會(huì)形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云，二次爆炸超壓則有可能超過(guò)首次爆炸。該現(xiàn)象值得今后在瓦斯/煤塵爆炸等氣粉兩相爆炸事故預(yù)防中注意。
圖3 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓力-時(shí)間曲線Fig.3 Pressure-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖4 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓升速率- 時(shí)間曲線Fig.4 Pressure rise rate-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
另一方面，爆炸沖擊波對(duì)沉積煤塵的卷?yè)P(yáng)效果主要由波前氣體流速控制[23]。然而，通常波前流速的測(cè)量在實(shí)驗(yàn)條件下很難獲得。筆者主要通過(guò)控制甲烷體積分?jǐn)?shù)獲得不同的初始爆炸強(qiáng)度，沖擊波進(jìn)入鋪粉管段后可產(chǎn)生不同水平的波前流速。結(jié)合圖3，4，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，壓力曲線只有1個(gè)破膜峰值，且峰值來(lái)臨時(shí)間顯著延遲，這是由于波前流速過(guò)低，火焰?zhèn)鞑サ戒伔酃芏螘r(shí)僅有很少量煤塵被輕微揚(yáng)起，致使煤粉熱解產(chǎn)生的可燃揮發(fā)性氣體不足，甚至消耗了沖擊波能量，火焰?zhèn)鞑t不能繼續(xù)。然而，當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，爆炸超壓峰值增至32.9 kPa，是甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)的2.3倍，最大峰值來(lái)臨時(shí)刻提前了76.7%;壓升速率峰值為7.1 kPa/ms，是甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)的2.7倍。可見(jiàn)，3種工況下當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，波前流速越大，越有利于更多煤塵被卷?yè)P(yáng)，形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云參與熱解，導(dǎo)致強(qiáng)爆炸產(chǎn)生。
2.2 不同爆炸強(qiáng)度下火焰溫度分析
圖5，6分別為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰溫度-時(shí)間曲線和火焰溫度峰值及來(lái)臨時(shí)刻隨沖擊波強(qiáng)度變化曲線。由圖5,6可以看出，火焰溫度曲線出現(xiàn)驟升現(xiàn)象;在3種工況下，最大火焰溫度隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比線性上升，分別為699，922和1 219 ℃，而火焰溫度峰值來(lái)臨時(shí)刻則線性下降，且結(jié)合圖4火焰溫度峰值來(lái)臨時(shí)刻與爆炸超壓峰值來(lái)臨時(shí)刻保持一致，說(shuō)明當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，煤粉燃燒產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于煤粉熱解需要的熱量，導(dǎo)致火焰溫度急劇升高，支持了強(qiáng)爆炸的傳播。
圖5 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰溫度- 時(shí)間曲線Fig.5 Temperature-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖6 火焰溫度峰值及來(lái)臨時(shí)刻隨沖擊波強(qiáng)度變化曲線Fig.6 Curves of temperature peak and its arrival time with shock waves intensity
利用Savitzky-Golay方法[35]對(duì)爆炸溫度的演化進(jìn)行了過(guò)濾與計(jì)算，得到了3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸溫升速率-時(shí)間變化曲線，如圖7所示?？梢钥闯?甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合火焰溫升速率有重要影響。最明顯影響是在溫升速率的半峰時(shí)間寬度上，體積分?jǐn)?shù)為9.5%甲烷誘導(dǎo)煤塵爆炸火焰溫升速率曲線的半峰時(shí)間寬度分別是8.5%和7.5%時(shí)的22.4%和56.7%，說(shuō)明隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比，初始爆炸強(qiáng)度增加，有更多的煤粉參與到爆炸的過(guò)程中，從而導(dǎo)致煤塵的燃燒速度加快。圖8為復(fù)合火焰最大溫升速率及其來(lái)臨時(shí)刻隨甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線?？梢钥闯?，3種工況下最大溫升速率隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，且在8.5%～9.5%增長(zhǎng)更顯著;而溫升速率峰值來(lái)臨時(shí)間隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加線性降低，也說(shuō)明了當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，更多的煤塵熱解促使火焰溫度快速上升。
圖7 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰溫升速率- 時(shí)間曲線Fig.7 Temperature rise rate-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖8 復(fù)合火焰最大溫升速率及其來(lái)臨時(shí)刻隨甲烷體積 分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.8 Curves of the maximum temperature rise rate and its arrival time of complex flame with methane volume fraction
2.3 不同爆炸強(qiáng)度下火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>
火傳播速度是根據(jù)火焰前沿位置隨時(shí)間變化而獲得，其計(jì)算式為
v=(Lt2-Lt1)/(t2-t1)
(1)
式中，Lt1和Lt2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的火焰前沿位置;t1和t2為時(shí)間。
圖9 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 時(shí)間曲線Fig.9 Flame velocity-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖10 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 傳播距離曲線Fig.10 Flame velocity-position curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖9,10分別為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰速度-時(shí)間曲線和火焰速度-傳播距離曲線。由圖9,10可以看出，首先，在無(wú)煤粉時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為8.5%和9.5%的甲烷爆炸火焰在通過(guò)圓孔障礙物時(shí)出現(xiàn)了明顯的首次加速，在400 mm處的火焰速度分別為20.3 m/s和14.0 m/s，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值分別為117.4 m/s和89.9 m/s，說(shuō)明本文中的障礙物對(duì)火焰波有明顯的激勵(lì)作用。此后，由于后半部分管道沒(méi)有可燃物補(bǔ)充和高速環(huán)境中空氣的黏性及管壁的摩擦作用，火焰速度急速衰減;之后由于管道末端封閉膜破裂新鮮空氣補(bǔ)充，火焰波在管壁約束作用下再次加速。對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為7.5%的甲烷爆炸火焰，在400 mm處的火焰速度僅為6.8 m/s，火焰穿過(guò)中間圓孔后很快熄滅，結(jié)合圖3，4可以看出，這是由于點(diǎn)火后產(chǎn)生的爆炸超壓低且沒(méi)有明顯負(fù)壓，說(shuō)明沒(méi)有足夠的新鮮空氣補(bǔ)充，燃燒不能維持。
其次，當(dāng)鋪設(shè)煤塵管道中鋪設(shè)3.2 g煤粉時(shí)，3種甲烷體積分?jǐn)?shù)下400 mm處的火焰速度分別為21.2，14.5和7.1 m/s，進(jìn)入鋪設(shè)煤塵管道的時(shí)間縮減至51.5，71.0和100.0 ms，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值突增至158.3，134.8和19.6 m/s。這是因?yàn)橛捎诔跏急ê螅诨鹧孢M(jìn)入鋪設(shè)煤塵管道之前沉積煤塵就被沖擊波卷?yè)P(yáng)，煤塵粒子懸浮在圓孔周圍且在火焰面的高溫下熱解并釋放可燃性氣體，當(dāng)火焰面到達(dá)圓孔時(shí)，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃形成甲烷/煤塵復(fù)合火焰。因此，初始爆炸威力越大，波前流速和火焰鋒面溫度更高，卷?yè)P(yáng)煤塵云的濃度和熱解程度也越高，導(dǎo)致復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤焖偬岣摺?/p>
最后，通過(guò)障礙物后復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線均呈波動(dòng)上升特征，體現(xiàn)出煤塵顆粒不斷被卷?yè)P(yáng)且參與熱解燃燒。其中，9.5%甲烷時(shí)復(fù)合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動(dòng)上升和加速上升2個(gè)階段，由于此時(shí)卷?yè)P(yáng)煤塵體積分?jǐn)?shù)和火焰鋒面溫度高，較多煤粉快速熱解致使復(fù)合火焰?zhèn)鞑ズ芸斐霈F(xiàn)加速;8.5%甲烷時(shí)由于卷?yè)P(yáng)煤塵體積分?jǐn)?shù)和火焰鋒面溫度較低，復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈振蕩形態(tài)向前傳播;而7.5%甲烷時(shí)由于初始爆炸威力低，少量煤粉揚(yáng)起后，火焰只是原地緩慢燃燒，并未引起加速。
2.4 不同爆炸強(qiáng)度下火焰結(jié)構(gòu)分析
圖11為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。由圖11可以看出，在甲烷火焰進(jìn)入煤塵鋪設(shè)管道前的早期階段，甲烷被點(diǎn)燃后火焰呈半球形向前傳播;對(duì)比圖3壓力曲線第1個(gè)小峰值，3種體積分?jǐn)?shù)甲烷火焰破膜時(shí)間依次為30.4，40.0和59.3 ms;在中間薄膜破裂后，火焰呈指形繼續(xù)傳播。隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)降低，火焰突破薄膜后傳播至鋪設(shè)煤粉段的時(shí)間從52.5 ms推遲到72.0 ms和106.0 ms，不僅在時(shí)間上有所延遲，火焰的亮度也依次變暗。
圖11 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)圖像Fig.11 Flame structure of coal dust explosion induced by three kindy of shock waves
火焰進(jìn)入鋪設(shè)煤塵管道后，引燃懸浮煤粉形成甲烷/煤塵復(fù)合火焰?？梢钥闯觯淄轶w積分?jǐn)?shù)的不同所形成的火焰結(jié)構(gòu)大有差異。其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，復(fù)合火焰在54.5 ms形成“倒鉤形火焰”，鉤形結(jié)構(gòu)在下端。“倒鉤形火焰”的形成原因應(yīng)是煤粉沉降和燃燒產(chǎn)生膨脹拉伸效應(yīng)共同造成的，使得火焰在傳播時(shí)不斷卷?yè)P(yáng)更多的煤塵;此后火焰寬度逐漸增加且明亮，并在56.5 ms時(shí)接觸管道上壁面，形成“郁金香”結(jié)構(gòu)，2 ms后火焰快速傳播至管道出口。甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)，復(fù)合火焰亮度有所降低，且火焰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)傳播，直至傳播到80 ms時(shí)才出現(xiàn)連續(xù)的火焰結(jié)構(gòu)。結(jié)合2.2和2.3節(jié)火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，體積分?jǐn)?shù)為8.5%的甲烷爆炸后產(chǎn)生的火焰溫度和波前流速相對(duì)于9.5%時(shí)小，當(dāng)火焰通過(guò)圓孔時(shí)不能產(chǎn)生高強(qiáng)度湍流，使得沉積煤塵卷吸形成的煤塵云濃度較低，最終導(dǎo)致懸浮煤粉熱解的速度和顆粒數(shù)都相對(duì)減少。而甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，復(fù)合火焰在傳播過(guò)程中基本呈“蛇形”，表明上部火焰溫度和速度高于下部，且火焰面積最小，說(shuō)明此時(shí)甲烷火焰在通過(guò)障礙物時(shí)大部分能量被消耗，火焰鋒面溫度低，只有少許煤塵被揚(yáng)起、熱解程度太低不足以維持火焰?zhèn)鞑?。從火焰圖片中可以明顯的觀察到，懸浮和沉積的煤塵只在原地燃燒，復(fù)合火焰并未向前傳播。
2.5 不同爆炸強(qiáng)度下流場(chǎng)湍流特征分析
為了研究不同強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵卷?yè)P(yáng)情況，本節(jié)采用PIV系統(tǒng)，以煤粉作為示蹤粒子，對(duì)不同爆炸強(qiáng)度誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸瞬間流場(chǎng)的湍流特征進(jìn)行了分析。PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示。
圖12 PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic diagram of PIV experimental system
圖13為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸瞬間的煤塵粒子分布圖、速度場(chǎng)和渦量場(chǎng)。由圖13可以看出當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，從煤塵分布來(lái)看，沖擊波將沉積煤塵卷?yè)P(yáng)形成煤塵云，大部分煤塵跟隨沖擊波向前流動(dòng)，只有小部分煤塵粒子呈旋渦狀向斜上方流動(dòng)，這說(shuō)明體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷爆炸產(chǎn)生的波前流速很高，致使煤粉隨沖擊波整體快速運(yùn)動(dòng)，煤粉分布范圍廣;而渦量圖粉紅色分布均勻，說(shuō)明此時(shí)卷?yè)P(yáng)區(qū)整體湍流強(qiáng)度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進(jìn)了懸浮煤粉的熱解與燃燒，致使火焰快速傳播。當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)，從煤塵分布來(lái)看，沖擊波卷?yè)P(yáng)的煤塵一部分隨沖擊波向管道前方流動(dòng)，但煤塵分布范圍較少，另小部分呈旋渦狀向斜后方下降，說(shuō)明由于沖擊波強(qiáng)度較低，只有一部分煤塵跟隨粒子沖擊波快速流動(dòng);渦量場(chǎng)可以看出僅僅在揚(yáng)起煤塵周圍湍流較強(qiáng)，說(shuō)明部分煤塵粒子在火焰浮力作用下上升揚(yáng)起，因管壁約束又向后方下降，滯留在火焰后方，因此不能支持火焰快速傳播。
當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，從煤塵分布來(lái)看，大部分煤塵粒子被揚(yáng)起后呈旋渦狀原地流動(dòng)，僅一小部分粒子在管壁約束下向前方短暫運(yùn)動(dòng)，但之后因重力作用下沉;渦量場(chǎng)可以看出僅僅在揚(yáng)起煤塵處湍流較強(qiáng)，說(shuō)明當(dāng)初始爆炸強(qiáng)度很低時(shí)，因波前流速很低，不足以支撐足夠的沉積煤塵揚(yáng)起形成煤塵云，因此大部分煤粉沒(méi)有參與火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
綜上，可以得出較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復(fù)合火焰不斷加速的原因。甲烷的體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，初始爆炸強(qiáng)度高，波前流速和火焰溫度增高，致使更多煤塵在更廣的區(qū)域內(nèi)預(yù)先卷?yè)P(yáng)并熱解，而卷?yè)P(yáng)區(qū)湍流強(qiáng)度整體較高則顯著加快了可燃性氣體和空氣的混合，為之后來(lái)臨的火焰前鋒不斷提供燃料，導(dǎo)致復(fù)合火焰持續(xù)加速。由此可以得到甲烷/煤塵爆炸復(fù)合火焰的加速模式，如圖14所示。
圖13 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)煤塵爆炸瞬間速度場(chǎng)和 渦量場(chǎng)Fig.13 Velocity and vorticity fields of coal dust explosion moment induced by three kindy of shock waves
圖14 甲烷/煤塵爆炸復(fù)合火焰加速模式Fig.14 Methane/coal dust explosion combined flame acceleration mode
3 結(jié) 論
(1)在3種工況下，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比，復(fù)合體系爆炸超壓和壓力上升速率顯著增高，壓力峰值來(lái)臨時(shí)間減小，且當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)超過(guò)8.5%后壓力曲線和壓升速率曲線出現(xiàn)明顯振蕩特征。
(2)在3種工況下，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比，波前流速、火焰鋒面溫度及其溫升速率越高，有利于更多煤塵被卷?yè)P(yáng)和快速熱解，支持了強(qiáng)爆炸的傳播。
(3)瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸復(fù)合火焰火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線具有波動(dòng)上升特征，當(dāng)9.5%甲烷時(shí)復(fù)合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動(dòng)上升和加速上升2個(gè)階段。
(4)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%和8.5%時(shí)，復(fù)合火焰呈“倒鉤形”，之后很快出現(xiàn)了火焰加速;而甲烷體積分?jǐn)?shù)降至8.5%時(shí)，復(fù)合火焰亮度降低，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)特點(diǎn);甲烷體積分?jǐn)?shù)降至7.5%時(shí)，由于爆炸產(chǎn)生的沖擊波和湍流強(qiáng)度很小，復(fù)合火焰只在原地燃燒，不能維持傳播。
(5)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，初始爆炸強(qiáng)度高，煤粉可隨沖擊波整體快速運(yùn)動(dòng)，煤粉分布范圍廣,且卷?yè)P(yáng)區(qū)整體湍流強(qiáng)度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進(jìn)了卷?yè)P(yáng)煤粉的燃燒。
(6)較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復(fù)合火焰不斷加速的原因。
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裴 蓓，張子陽(yáng)，潘榮錕，余明高，陳立偉，溫小萍
(1.河南理工大學(xué) 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003; 2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)
瓦斯爆炸是影響煤礦安全生產(chǎn)的“頭號(hào)殺手”。煤礦中重大爆炸事故往往是由瓦斯、煤塵共同參與爆炸引起的，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過(guò)程中不斷卷吸巷道四周沉積煤塵，形成分布不均勻的可燃性粉塵云，隨之受到高溫火焰面引燃，以不間斷爆炸的形式傳播[1]，導(dǎo)致瓦斯/煤塵爆炸具有更高破壞性。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯/煤塵爆炸特性及其影響因素展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。司榮軍[2]、李慶釗[3]、屈姣[4]、李潤(rùn)之[5]、HUéSCAR MEDINA[6]、ZHAO Peng[7]、湯其建[8]、王博[9]、王育德[10]、王洪雨[11]、宮廣東[12]、畢明樹(shù)[13]等研究了甲烷含量、揮發(fā)分、煤塵粒度、分散度、質(zhì)量濃度等對(duì)不同揮發(fā)分煤塵爆炸濃度下限、爆炸壓力、點(diǎn)火能等影響，指出甲烷的存在使甲烷/煤塵混合物點(diǎn)火的下限降低，最大壓力上升速率增大，爆炸持續(xù)時(shí)間明顯縮短;煤塵爆炸下限隨揮發(fā)分增大而減小;點(diǎn)火下限隨點(diǎn)火能量的增加而降低，隨煤塵揮發(fā)分的減小而上升，隨煤塵粒度的減小而降低;煤塵粒徑越小，分散度越大，爆炸下限降低且爆炸壓力升高。陳東梁等[14-15]研究了燃料組分構(gòu)成、煤塵粒徑和煤塵種類對(duì)甲烷/煤塵復(fù)合體系燃燒反應(yīng)特性和火焰結(jié)構(gòu)的影響。LIU等[16]研究表明:煤塵和甲烷共存顯著提高了火焰的傳播速度和最大火焰溫度，大大高于單一煤塵火焰的傳播速度和最大火焰溫度。陸守香等[17]研究發(fā)現(xiàn)氣粉復(fù)合火焰是由氣體火焰、粉塵火焰和反向傳播的粉塵火焰構(gòu)成瞬態(tài)的三波陣面結(jié)構(gòu)。
董呈杰[18]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)管道內(nèi)的甲烷氣相爆炸和甲烷/煤塵混合爆炸過(guò)程進(jìn)行了研究。CAO等[19-20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了半封閉垂直燃燒管中煤塵爆炸過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑バ袨楹蜔彷椛湫?yīng)，結(jié)果表明:隨著管長(zhǎng)的增加，火焰的最高傳播速度和最大火焰溫度均逐漸增加。李海濤等[21]構(gòu)建了豎直管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混擴(kuò)散及爆炸物理數(shù)學(xué)模型，對(duì)管道內(nèi)甲烷/煤塵的擴(kuò)散特征和爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管道內(nèi)甲烷/煤塵預(yù)混湍流特征及爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。
沖擊波誘導(dǎo)煤塵爆炸方面，HOUIM等[22]研究了鋪設(shè)煤塵層稀薄致度密對(duì)爆炸結(jié)構(gòu)與火焰速度的影響。結(jié)果表明:松散的煤塵層比致密層更危險(xiǎn)，沖擊波和火焰波更強(qiáng)烈地耦合于松散的煤塵層，以更高的速度傳播，并產(chǎn)生大的過(guò)壓和脈沖。朱傳杰、林柏泉等[23-24]研究了沉積粉塵密度、波前流速、粉塵粒徑等對(duì)揚(yáng)塵特征的影響，分析了不同位置處的最大爆炸壓力和火焰出現(xiàn)時(shí)間，探討了氣流與沉積煤塵床相互作用的氣體動(dòng)力學(xué)機(jī)理及其誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)歷程。劉丹[25]、李潤(rùn)之[26-28]、胡雙啟[29]、尉存娟等[30]分析了瓦斯爆炸引起沉積煤塵卷?yè)P(yáng)爆炸的機(jī)理，并研究了煤塵上揚(yáng)的原因和爆炸壓力的變化規(guī)律。SONG等[31-32]為了研究局部瓦斯爆炸誘發(fā)積灰燃燒的規(guī)律，對(duì)粉塵噴射和參與瓦斯爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。
綜上所述，現(xiàn)有研究主要圍繞瓦斯/煤塵共存時(shí)爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊缺ㄌ匦哉归_(kāi)。由于煤礦瓦斯/煤塵爆炸火焰是一個(gè)由沖擊波引導(dǎo)的煤塵云火焰形成的復(fù)合體，沖擊波強(qiáng)度對(duì)沉積煤塵的卷吸效果有重要影響，而目前對(duì)復(fù)合沖擊火焰的形成與火焰加速方面的研究較少。為此，有必要進(jìn)一步研究不同爆炸強(qiáng)度下的煤塵卷吸特征，以揭示其對(duì)瓦斯/煤塵爆炸火焰加速的影響。
故此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，搭建了沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以褐煤煤粉為研究對(duì)象，分析沖擊波作用下煤塵云的卷吸特征，研究不同爆炸強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及影響因素，探討復(fù)合火焰的加速機(jī)理。
1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由方形透明有機(jī)玻璃管道、配氣系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)、高速粒子成像測(cè)速系統(tǒng)、同步控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。爆炸管道由兩根分別為150 mm×150 mm×400 mm的充氣管道和150 mm×150 mm×1 000 mm的煤塵鋪設(shè)管道連接組成，管道一端固定封閉另一端活動(dòng)封閉，兩根管道中間安裝一尺寸為150 mm×150 mm×2 mm的方形鋼板，中心位置有一直徑為100 mm的圓孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)用PVC薄膜對(duì)中間連接鋼板處和管道末端進(jìn)行密封。相比于其他形狀的孔型，圓孔對(duì)火焰產(chǎn)生的影響最低[33]，也可避免因破膜位置不同造成較大差異的卷?yè)P(yáng)效果。
配氣系統(tǒng)由2個(gè)Alicat質(zhì)量流量控制器(MFC)組成，用于控制甲烷、空氣的流速并輸送到充氣管道中。高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由 HEI19系列高能點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火電壓為 6 kV。壓力和火焰溫度采集由USB-1608FS Plus型數(shù)據(jù)采集卡、MD-HF型高頻壓力傳感器和自制R型微細(xì)熱電偶組成，壓力傳感器的量程為-0.1～0.1 MPa，綜合精度為0.25%。高速攝像圖像采集系統(tǒng)由Speed Sense VEO 710型高速攝像機(jī)、圖像控制器和圖像處理系統(tǒng)組成，最大分辨率為1 280像素×800像素，拍攝速度為2 000 fps。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system diagram
1.2 實(shí)驗(yàn)工況與方法
實(shí)驗(yàn)選用褐煤煤粉為研究對(duì)象，煤樣詳細(xì)工業(yè)分析見(jiàn)表1。甲烷的體積分?jǐn)?shù)分別為7.5%，8.5%和9.5%。實(shí)驗(yàn)前，在鋪設(shè)煤塵管段底部均勻鋪設(shè)煤塵層，其鋪粉位置離圓孔處200 mm，鋪設(shè)長(zhǎng)度為300 mm，鋪粉量為3.2 g。實(shí)驗(yàn)前，用薄膜將管道密封后，采用4倍體積排氣法向充氣管段充入CH4/Air預(yù)混氣[34]，6 min后關(guān)閉進(jìn)氣和排氣閥門并靜置15 s后點(diǎn)火。同步控制器和高速攝像機(jī)處于等待觸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)點(diǎn)火裝置啟動(dòng)后，同步開(kāi)啟高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個(gè)測(cè)試至少重復(fù)3次，以確保重復(fù)性。
表1 煤塵工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industry analysis results of coal dust %
1.3 煤粉的形狀特征與粒徑分布
實(shí)驗(yàn)選用經(jīng)300目標(biāo)準(zhǔn)篩篩分的樣品，分別采用NHT5200型激光粒度分析儀和FEI-FEG250場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)量了實(shí)際褐煤煤樣的粒徑分布情況和SEM圖像，如圖2所示。從圖2中可以看出煤粉的微觀形狀為標(biāo)準(zhǔn)的塊狀，其平均特征直徑D50為20.75 μm，表明煤塵的分散性良好。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將煤粉粉塵儲(chǔ)存在25 ℃的干燥器中24 h，以消除水分。
圖2 褐煤煤粉的粒徑分布及SEM圖像Fig.2 Particle size distribution and SEM image of lignite dust
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
2.1 不同爆炸強(qiáng)度下壓力分析
圖3為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓力-時(shí)間曲線。由圖3可以看出，甲烷被引爆后沖破管道中間的PVC薄膜，爆炸壓力曲線出現(xiàn)了第1個(gè)小峰值;之后由于沖擊波將煤塵揚(yáng)起能量損耗和加熱煤塵，致使壓力下降;當(dāng)有足夠的煤塵熱解揮發(fā)后，甲烷/煤塵復(fù)合體系的爆炸超壓驟升，由于出口端PVC薄膜破裂泄壓，達(dá)到壓力平衡后出現(xiàn)壓力最大值;此后由于負(fù)壓作用，火焰沖出管道后負(fù)壓回吸新鮮空氣，繼續(xù)卷?yè)P(yáng)剩余的煤粉燃燒，如此反復(fù)，致使壓力曲線出現(xiàn)了衰減性振蕩。結(jié)合圖4中3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓升速率-時(shí)間曲線可以看出，壓升速率曲線也呈振蕩態(tài)勢(shì)，且最大壓力上升速率出現(xiàn)在第2個(gè)燃燒波，說(shuō)明對(duì)于氣粉兩相爆炸體系，爆炸泄壓后因新鮮空氣回吸且管道內(nèi)留存較多煤粉，后續(xù)還可發(fā)生多次爆炸。為了利用PIV獲得清晰的煤塵粒子分布圖像，煤粉鋪粉量?jī)H為3.2 g，如果鋪粉量增加，強(qiáng)爆炸時(shí)將會(huì)形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云，二次爆炸超壓則有可能超過(guò)首次爆炸。該現(xiàn)象值得今后在瓦斯/煤塵爆炸等氣粉兩相爆炸事故預(yù)防中注意。
圖3 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓力-時(shí)間曲線Fig.3 Pressure-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖4 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸壓升速率- 時(shí)間曲線Fig.4 Pressure rise rate-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
另一方面，爆炸沖擊波對(duì)沉積煤塵的卷?yè)P(yáng)效果主要由波前氣體流速控制[23]。然而，通常波前流速的測(cè)量在實(shí)驗(yàn)條件下很難獲得。筆者主要通過(guò)控制甲烷體積分?jǐn)?shù)獲得不同的初始爆炸強(qiáng)度，沖擊波進(jìn)入鋪粉管段后可產(chǎn)生不同水平的波前流速。結(jié)合圖3，4，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，壓力曲線只有1個(gè)破膜峰值，且峰值來(lái)臨時(shí)間顯著延遲，這是由于波前流速過(guò)低，火焰?zhèn)鞑サ戒伔酃芏螘r(shí)僅有很少量煤塵被輕微揚(yáng)起，致使煤粉熱解產(chǎn)生的可燃揮發(fā)性氣體不足，甚至消耗了沖擊波能量，火焰?zhèn)鞑t不能繼續(xù)。然而，當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，爆炸超壓峰值增至32.9 kPa，是甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)的2.3倍，最大峰值來(lái)臨時(shí)刻提前了76.7%;壓升速率峰值為7.1 kPa/ms，是甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)的2.7倍。可見(jiàn)，3種工況下當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，波前流速越大，越有利于更多煤塵被卷?yè)P(yáng)，形成足夠質(zhì)量濃度的煤塵云參與熱解，導(dǎo)致強(qiáng)爆炸產(chǎn)生。
2.2 不同爆炸強(qiáng)度下火焰溫度分析
圖5，6分別為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰溫度-時(shí)間曲線和火焰溫度峰值及來(lái)臨時(shí)刻隨沖擊波強(qiáng)度變化曲線。由圖5,6可以看出，火焰溫度曲線出現(xiàn)驟升現(xiàn)象;在3種工況下，最大火焰溫度隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比線性上升，分別為699，922和1 219 ℃，而火焰溫度峰值來(lái)臨時(shí)刻則線性下降，且結(jié)合圖4火焰溫度峰值來(lái)臨時(shí)刻與爆炸超壓峰值來(lái)臨時(shí)刻保持一致，說(shuō)明當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，煤粉燃燒產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于煤粉熱解需要的熱量，導(dǎo)致火焰溫度急劇升高，支持了強(qiáng)爆炸的傳播。
圖5 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰溫度- 時(shí)間曲線Fig.5 Temperature-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖6 火焰溫度峰值及來(lái)臨時(shí)刻隨沖擊波強(qiáng)度變化曲線Fig.6 Curves of temperature peak and its arrival time with shock waves intensity
利用Savitzky-Golay方法[35]對(duì)爆炸溫度的演化進(jìn)行了過(guò)濾與計(jì)算，得到了3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸溫升速率-時(shí)間變化曲線，如圖7所示?？梢钥闯?甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合火焰溫升速率有重要影響。最明顯影響是在溫升速率的半峰時(shí)間寬度上，體積分?jǐn)?shù)為9.5%甲烷誘導(dǎo)煤塵爆炸火焰溫升速率曲線的半峰時(shí)間寬度分別是8.5%和7.5%時(shí)的22.4%和56.7%，說(shuō)明隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比，初始爆炸強(qiáng)度增加，有更多的煤粉參與到爆炸的過(guò)程中，從而導(dǎo)致煤塵的燃燒速度加快。圖8為復(fù)合火焰最大溫升速率及其來(lái)臨時(shí)刻隨甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線?？梢钥闯?，3種工況下最大溫升速率隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，且在8.5%～9.5%增長(zhǎng)更顯著;而溫升速率峰值來(lái)臨時(shí)間隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加線性降低，也說(shuō)明了當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，更多的煤塵熱解促使火焰溫度快速上升。
圖7 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰溫升速率- 時(shí)間曲線Fig.7 Temperature rise rate-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves
圖8 復(fù)合火焰最大溫升速率及其來(lái)臨時(shí)刻隨甲烷體積 分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.8 Curves of the maximum temperature rise rate and its arrival time of complex flame with methane volume fraction
2.3 不同爆炸強(qiáng)度下火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>
火傳播速度是根據(jù)火焰前沿位置隨時(shí)間變化而獲得，其計(jì)算式為
v=(Lt2-Lt1)/(t2-t1)
(1)
式中，Lt1和Lt2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的火焰前沿位置;t1和t2為時(shí)間。
圖9 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 時(shí)間曲線Fig.9 Flame velocity-time curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖10 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣? 傳播距離曲線Fig.10 Flame velocity-position curves of coal dust explosion induced by three kinds of shock waves
圖9,10分別為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰速度-時(shí)間曲線和火焰速度-傳播距離曲線。由圖9,10可以看出，首先，在無(wú)煤粉時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為8.5%和9.5%的甲烷爆炸火焰在通過(guò)圓孔障礙物時(shí)出現(xiàn)了明顯的首次加速，在400 mm處的火焰速度分別為20.3 m/s和14.0 m/s，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值分別為117.4 m/s和89.9 m/s，說(shuō)明本文中的障礙物對(duì)火焰波有明顯的激勵(lì)作用。此后，由于后半部分管道沒(méi)有可燃物補(bǔ)充和高速環(huán)境中空氣的黏性及管壁的摩擦作用，火焰速度急速衰減;之后由于管道末端封閉膜破裂新鮮空氣補(bǔ)充，火焰波在管壁約束作用下再次加速。對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為7.5%的甲烷爆炸火焰，在400 mm處的火焰速度僅為6.8 m/s，火焰穿過(guò)中間圓孔后很快熄滅，結(jié)合圖3，4可以看出，這是由于點(diǎn)火后產(chǎn)生的爆炸超壓低且沒(méi)有明顯負(fù)壓，說(shuō)明沒(méi)有足夠的新鮮空氣補(bǔ)充，燃燒不能維持。
其次，當(dāng)鋪設(shè)煤塵管道中鋪設(shè)3.2 g煤粉時(shí)，3種甲烷體積分?jǐn)?shù)下400 mm處的火焰速度分別為21.2，14.5和7.1 m/s，進(jìn)入鋪設(shè)煤塵管道的時(shí)間縮減至51.5，71.0和100.0 ms，產(chǎn)生的首次火焰加速最大值突增至158.3，134.8和19.6 m/s。這是因?yàn)橛捎诔跏急ê螅诨鹧孢M(jìn)入鋪設(shè)煤塵管道之前沉積煤塵就被沖擊波卷?yè)P(yáng)，煤塵粒子懸浮在圓孔周圍且在火焰面的高溫下熱解并釋放可燃性氣體，當(dāng)火焰面到達(dá)圓孔時(shí)，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃形成甲烷/煤塵復(fù)合火焰。因此，初始爆炸威力越大，波前流速和火焰鋒面溫度更高，卷?yè)P(yáng)煤塵云的濃度和熱解程度也越高，導(dǎo)致復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤焖偬岣摺?/p>
最后，通過(guò)障礙物后復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線均呈波動(dòng)上升特征，體現(xiàn)出煤塵顆粒不斷被卷?yè)P(yáng)且參與熱解燃燒。其中，9.5%甲烷時(shí)復(fù)合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動(dòng)上升和加速上升2個(gè)階段，由于此時(shí)卷?yè)P(yáng)煤塵體積分?jǐn)?shù)和火焰鋒面溫度高，較多煤粉快速熱解致使復(fù)合火焰?zhèn)鞑ズ芸斐霈F(xiàn)加速;8.5%甲烷時(shí)由于卷?yè)P(yáng)煤塵體積分?jǐn)?shù)和火焰鋒面溫度較低，復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈振蕩形態(tài)向前傳播;而7.5%甲烷時(shí)由于初始爆炸威力低，少量煤粉揚(yáng)起后，火焰只是原地緩慢燃燒，并未引起加速。
2.4 不同爆炸強(qiáng)度下火焰結(jié)構(gòu)分析
圖11為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。由圖11可以看出，在甲烷火焰進(jìn)入煤塵鋪設(shè)管道前的早期階段，甲烷被點(diǎn)燃后火焰呈半球形向前傳播;對(duì)比圖3壓力曲線第1個(gè)小峰值，3種體積分?jǐn)?shù)甲烷火焰破膜時(shí)間依次為30.4，40.0和59.3 ms;在中間薄膜破裂后，火焰呈指形繼續(xù)傳播。隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)降低，火焰突破薄膜后傳播至鋪設(shè)煤粉段的時(shí)間從52.5 ms推遲到72.0 ms和106.0 ms，不僅在時(shí)間上有所延遲，火焰的亮度也依次變暗。
圖11 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)圖像Fig.11 Flame structure of coal dust explosion induced by three kindy of shock waves
火焰進(jìn)入鋪設(shè)煤塵管道后，引燃懸浮煤粉形成甲烷/煤塵復(fù)合火焰?？梢钥闯觯淄轶w積分?jǐn)?shù)的不同所形成的火焰結(jié)構(gòu)大有差異。其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，復(fù)合火焰在54.5 ms形成“倒鉤形火焰”，鉤形結(jié)構(gòu)在下端。“倒鉤形火焰”的形成原因應(yīng)是煤粉沉降和燃燒產(chǎn)生膨脹拉伸效應(yīng)共同造成的，使得火焰在傳播時(shí)不斷卷?yè)P(yáng)更多的煤塵;此后火焰寬度逐漸增加且明亮，并在56.5 ms時(shí)接觸管道上壁面，形成“郁金香”結(jié)構(gòu)，2 ms后火焰快速傳播至管道出口。甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)，復(fù)合火焰亮度有所降低，且火焰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)傳播，直至傳播到80 ms時(shí)才出現(xiàn)連續(xù)的火焰結(jié)構(gòu)。結(jié)合2.2和2.3節(jié)火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，體積分?jǐn)?shù)為8.5%的甲烷爆炸后產(chǎn)生的火焰溫度和波前流速相對(duì)于9.5%時(shí)小，當(dāng)火焰通過(guò)圓孔時(shí)不能產(chǎn)生高強(qiáng)度湍流，使得沉積煤塵卷吸形成的煤塵云濃度較低，最終導(dǎo)致懸浮煤粉熱解的速度和顆粒數(shù)都相對(duì)減少。而甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，復(fù)合火焰在傳播過(guò)程中基本呈“蛇形”，表明上部火焰溫度和速度高于下部，且火焰面積最小，說(shuō)明此時(shí)甲烷火焰在通過(guò)障礙物時(shí)大部分能量被消耗，火焰鋒面溫度低，只有少許煤塵被揚(yáng)起、熱解程度太低不足以維持火焰?zhèn)鞑?。從火焰圖片中可以明顯的觀察到，懸浮和沉積的煤塵只在原地燃燒，復(fù)合火焰并未向前傳播。
2.5 不同爆炸強(qiáng)度下流場(chǎng)湍流特征分析
為了研究不同強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵卷?yè)P(yáng)情況，本節(jié)采用PIV系統(tǒng)，以煤粉作為示蹤粒子，對(duì)不同爆炸強(qiáng)度誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸瞬間流場(chǎng)的湍流特征進(jìn)行了分析。PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示。
圖12 PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic diagram of PIV experimental system
圖13為3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸瞬間的煤塵粒子分布圖、速度場(chǎng)和渦量場(chǎng)。由圖13可以看出當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，從煤塵分布來(lái)看，沖擊波將沉積煤塵卷?yè)P(yáng)形成煤塵云，大部分煤塵跟隨沖擊波向前流動(dòng)，只有小部分煤塵粒子呈旋渦狀向斜上方流動(dòng)，這說(shuō)明體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷爆炸產(chǎn)生的波前流速很高，致使煤粉隨沖擊波整體快速運(yùn)動(dòng)，煤粉分布范圍廣;而渦量圖粉紅色分布均勻，說(shuō)明此時(shí)卷?yè)P(yáng)區(qū)整體湍流強(qiáng)度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進(jìn)了懸浮煤粉的熱解與燃燒，致使火焰快速傳播。當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為8.5%時(shí)，從煤塵分布來(lái)看，沖擊波卷?yè)P(yáng)的煤塵一部分隨沖擊波向管道前方流動(dòng)，但煤塵分布范圍較少，另小部分呈旋渦狀向斜后方下降，說(shuō)明由于沖擊波強(qiáng)度較低，只有一部分煤塵跟隨粒子沖擊波快速流動(dòng);渦量場(chǎng)可以看出僅僅在揚(yáng)起煤塵周圍湍流較強(qiáng)，說(shuō)明部分煤塵粒子在火焰浮力作用下上升揚(yáng)起，因管壁約束又向后方下降，滯留在火焰后方，因此不能支持火焰快速傳播。
當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，從煤塵分布來(lái)看，大部分煤塵粒子被揚(yáng)起后呈旋渦狀原地流動(dòng)，僅一小部分粒子在管壁約束下向前方短暫運(yùn)動(dòng)，但之后因重力作用下沉;渦量場(chǎng)可以看出僅僅在揚(yáng)起煤塵處湍流較強(qiáng)，說(shuō)明當(dāng)初始爆炸強(qiáng)度很低時(shí)，因波前流速很低，不足以支撐足夠的沉積煤塵揚(yáng)起形成煤塵云，因此大部分煤粉沒(méi)有參與火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
綜上，可以得出較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復(fù)合火焰不斷加速的原因。甲烷的體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，初始爆炸強(qiáng)度高，波前流速和火焰溫度增高，致使更多煤塵在更廣的區(qū)域內(nèi)預(yù)先卷?yè)P(yáng)并熱解，而卷?yè)P(yáng)區(qū)湍流強(qiáng)度整體較高則顯著加快了可燃性氣體和空氣的混合，為之后來(lái)臨的火焰前鋒不斷提供燃料，導(dǎo)致復(fù)合火焰持續(xù)加速。由此可以得到甲烷/煤塵爆炸復(fù)合火焰的加速模式，如圖14所示。
圖13 3種強(qiáng)度沖擊波誘導(dǎo)煤塵爆炸瞬間速度場(chǎng)和 渦量場(chǎng)Fig.13 Velocity and vorticity fields of coal dust explosion moment induced by three kindy of shock waves
圖14 甲烷/煤塵爆炸復(fù)合火焰加速模式Fig.14 Methane/coal dust explosion combined flame acceleration mode
3 結(jié) 論
(1)在3種工況下，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比，復(fù)合體系爆炸超壓和壓力上升速率顯著增高，壓力峰值來(lái)臨時(shí)間減小，且當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)超過(guò)8.5%后壓力曲線和壓升速率曲線出現(xiàn)明顯振蕩特征。
(2)在3種工況下，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比，波前流速、火焰鋒面溫度及其溫升速率越高，有利于更多煤塵被卷?yè)P(yáng)和快速熱解，支持了強(qiáng)爆炸的傳播。
(3)瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸復(fù)合火焰火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線具有波動(dòng)上升特征，當(dāng)9.5%甲烷時(shí)復(fù)合火焰?zhèn)鞑デ€可分為波動(dòng)上升和加速上升2個(gè)階段。
(4)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%和8.5%時(shí)，復(fù)合火焰呈“倒鉤形”，之后很快出現(xiàn)了火焰加速;而甲烷體積分?jǐn)?shù)降至8.5%時(shí)，復(fù)合火焰亮度降低，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)破碎和不連續(xù)的形態(tài)特點(diǎn);甲烷體積分?jǐn)?shù)降至7.5%時(shí)，由于爆炸產(chǎn)生的沖擊波和湍流強(qiáng)度很小，復(fù)合火焰只在原地燃燒，不能維持傳播。
(5)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，初始爆炸強(qiáng)度高，煤粉可隨沖擊波整體快速運(yùn)動(dòng)，煤粉分布范圍廣,且卷?yè)P(yáng)區(qū)整體湍流強(qiáng)度較高，大大加快了煤粉與空氣的混合速度，促進(jìn)了卷?yè)P(yáng)煤粉的燃燒。
(6)較高的沖擊波波前流速和火焰面溫度2種參數(shù)相結(jié)合是造成甲烷/煤塵復(fù)合火焰不斷加速的原因。
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