受限空間內(nèi)瓦斯爆炸障礙物附近流場結(jié)構(gòu)演化實驗研究*

劉夢杰，徐景德，張延煒，秦漢圣，楊滿江，李偉光

(1.華北科技學(xué)院， 廊坊 065201；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

甲烷作為自然界一種常見的烷類氣體，在日常生活和工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。同時甲烷也是礦井瓦斯主要成分，瓦斯爆炸事故的元兇。煤礦井下設(shè)備復(fù)雜，巷道內(nèi)不可避免存在礦車、液壓支架、風(fēng)機(jī)等障礙物。障礙物存在使得其附近流場演化更加復(fù)雜，對瓦斯爆炸形成激勵效應(yīng)，增大了事故破壞性。因此，研究受限空間內(nèi)瓦斯爆炸障礙物附近流場結(jié)構(gòu)演化，對剖析障礙物對瓦斯爆炸激勵效應(yīng)機(jī)制有著十分重要的意義，對于降低事故破壞性和事故調(diào)查具有指導(dǎo)性意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于障礙物對氣體爆炸特性影響也展開了大量相關(guān)研究：張增亮通過實驗研究發(fā)現(xiàn)不同孔型板狀障礙物對甲烷空氣預(yù)混氣爆炸存在不同影響[1]，其中三角形影響最大。景國勛通過實驗研究置障條件下不同分岔角度管道中瓦斯爆炸壓力變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)[2]，不同形狀障礙物對不同角度分叉管影響不同。李國慶通過改變障礙物形狀和可燃?xì)怏w濃度研究發(fā)現(xiàn)[3]，障礙物形狀對氣體爆炸影響小于氣體濃度對爆炸影響。徐景德通過實驗、數(shù)值模擬及理論研究對障礙物激勵效應(yīng)進(jìn)行了理論總結(jié)[4-6]。于高明通過研究障礙物放置方式[7]，發(fā)現(xiàn)交錯放置比平行放置影響更大。王磊利用數(shù)值模擬手段[8]，研究了球形和方形兩種形狀障礙物對瓦斯爆炸影響，發(fā)現(xiàn)障礙物誘導(dǎo)作用大于反射波壓力作用，加速了火焰鋒面?zhèn)鞑ツ芰Αin Yi 通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)[9]，障礙物對瓦斯爆炸具有激勵效應(yīng)，激勵效應(yīng)隨著障礙物數(shù)量增加而增強(qiáng)。Damir通過理論分析和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)圓柱形障礙物對于火焰加速最為明顯[10]，且火焰加速存在上限。Vadim通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)障礙物間距和數(shù)量對預(yù)混氣爆炸激勵效應(yīng)有明顯的影響[11]。

目前關(guān)于障礙物對瓦斯爆炸影響研究主要集中于障礙物對湍流的影響；以及障礙物類型、間距、數(shù)量和擺放方式對瓦斯爆炸激勵效應(yīng)影響，對于障礙物激勵效應(yīng)的機(jī)制和障礙物對波系演化影響研究較少。且實驗探究大部分采用傳感器作為測試手段，對障礙物附近可視化流場研究較少，使用激光紋影手段可以較為直觀的觀察爆炸流場變化。所以，采用激光紋影研究受限空間內(nèi)瓦斯爆炸障礙物附近流場結(jié)構(gòu)演化，通過流場演化分析瓦斯爆炸激勵效應(yīng)機(jī)理十分有必要。

1 障礙物對瓦斯爆炸激勵效應(yīng)機(jī)理分析

密閉管道內(nèi)瓦斯爆炸由于尾端對激波反射作用，使得激波在管道內(nèi)周期性震蕩，流場變化復(fù)雜。障礙物加入，障礙物附近流場產(chǎn)生明顯變化，管道內(nèi)流場變化更加復(fù)雜?；谕咚贡嫉膬刹ㄈ齾^(qū)理論、激波運(yùn)動理論、湍流火焰模型就障礙物對瓦斯爆炸激勵效應(yīng)進(jìn)行機(jī)理分析。障礙物對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゼ钚?yīng)主要基于三個方面：(1)障礙物的存在阻礙氣流和激波傳播，激波抵達(dá)障礙物時一部分陣面發(fā)生反射沿原先相反方向傳播、一部分陣面繼續(xù)沿原先方向傳播。激波運(yùn)動過程中造成湍流度上升，化學(xué)反應(yīng)速率加快，火焰加速。(2)障礙物存在使得管道變?yōu)橐粋€變徑管，氣流通過障礙物段時產(chǎn)生渦旋，使得障礙物附近流場湍流度上升且火焰經(jīng)過此段時會產(chǎn)生射流效果使得火焰加速。瓦斯爆炸過程中甲烷并未完全參與化學(xué)反應(yīng)，瓦斯爆炸過后存在剩余瓦斯和結(jié)焦。障礙物存在使得化學(xué)反應(yīng)加速，更多甲烷氣體參與反應(yīng)，反應(yīng)更加完全，反應(yīng)產(chǎn)生更多能量。(3)障礙物反射激波陣面抵達(dá)火焰峰面處，與火焰鋒面發(fā)生相互作用，造成RM(Richtmyer-Meshkov)不穩(wěn)定[12]；由于流場密度不均，使得RT(Rayleigh-Taylor)不穩(wěn)定產(chǎn)生，加劇火焰失穩(wěn)造成火焰加速[13,14]。

2 實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

本實驗采用中尺度爆炸管路(圖1)，由聚對苯二甲酰對苯二胺材質(zhì)圓管點(diǎn)火端(長750 mm、內(nèi)徑150 mm)和方形可拆卸管道(內(nèi)截面為200 mm×200 mm)組成。總長17.05 m，沿管道于上壁面和側(cè)壁面設(shè)置壓力火焰?zhèn)鞲衅鳎苈?.05m處設(shè)有直徑為250 mm的K9玻璃觀察窗。爆炸超壓測試選用美國PCB公司ICP壓電傳感器(型號為M113A24)進(jìn)行壓力測量，最大量程6.9 MPa，線性滿足≤1%FS，諧振頻率≥500 KHz，上升時間≤1 μs。采集頻率和量程均滿足瓦斯爆炸測量需求。火焰測量系統(tǒng)為自行研制，由光電信號轉(zhuǎn)換器(光電二極管，型號為GT-101，中電集團(tuán)重慶第44研究所)將火焰的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后再導(dǎo)通包含分壓電阻的電路，利用AD卡記錄電阻的分壓信號。通過火焰產(chǎn)生亮度記錄火焰出現(xiàn)及強(qiáng)度。數(shù)采系統(tǒng)使用東華公司 DH8302用于進(jìn)行壓力、火焰信號采集分析。點(diǎn)火系統(tǒng)采用自制脈沖式點(diǎn)火器實現(xiàn)高壓放電產(chǎn)生火花，通過同步裝置輸入TTL電平觸發(fā)，引燃激波管內(nèi)的預(yù)混氣。紋影系統(tǒng)采用Z字型光路，紋影儀為兩個凹球反射鏡(直徑260 mm、f=2.6 m)，脈沖激光光源采用紅寶石激光器(波長694.3 nm，激光強(qiáng)度5 W)，相機(jī)使用加拿大mega speed公司相機(jī)(型號ms70k)，每秒鐘可采集5000張圖像滿足紋影捕獲激波、火焰要求。整個系統(tǒng)由同步系統(tǒng)串聯(lián)為一個整體，通過同步系統(tǒng)輸出TTL電平觸發(fā)點(diǎn)火裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。

圖 1 實驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus

2.2 工況設(shè)置

障礙物采用實心長方體鋼塊(長115 mm、寬115 mm、高75 mm)阻塞率為21.56%。本實驗采用3種工況。

工況1全管道充入9.5%濃度甲烷-空氣預(yù)混氣(當(dāng)量比=1)點(diǎn)火能量255mJ，模擬井下長直巷道內(nèi)瓦斯爆炸。沿管道在2 m、4.5 m、7.3 m、8.75 m、9.35 m、10.8 m、13.3 m、15.8 m處分別設(shè)置壓力、火焰?zhèn)鞲衅?。紋影拍攝位置為觀察窗處(距點(diǎn)火端9.05 m)。

工況2和工況3分別在工況1的基礎(chǔ)之上在觀察窗處(9.05 m)設(shè)置一個的障礙物和兩個障礙物，模擬井下礦車存在時瓦斯爆炸。見圖2。

圖 2 工況示意圖Fig. 2 Schematic diagram of working conditions

2.3 實驗方法

(1)配制預(yù)混氣：根據(jù)Dalton分壓定律將甲烷和空氣分別充入預(yù)混氣罐，配制完成之后罐內(nèi)預(yù)混8～12 h，保證預(yù)混充分。

(2)障礙物設(shè)置：將實驗段管道拆開，放入障礙物后封閉管道檢測氣密性。

(3)進(jìn)氣：對全管道進(jìn)行抽真空操作后充入1 atm預(yù)混氣體。

(4)點(diǎn)火：將點(diǎn)火器電壓調(diào)整至15 kV，通過同步系統(tǒng)控制同時觸發(fā)點(diǎn)火系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、火焰信號采集系統(tǒng)和高速相機(jī)。實現(xiàn)點(diǎn)火及數(shù)據(jù)采集。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 激光紋影圖像分析

圖3為工況1激波火焰紋影圖像。由圖3可見396.8 ms由尾端反射的一道激波經(jīng)過觀察窗。404 ms火焰首次到達(dá)觀察窗，火焰明顯呈現(xiàn)變形Tulip形態(tài)。形成此形態(tài)火焰主要是由于火焰和激波相互作用、DL(Darrieus-Landau)不穩(wěn)定性和Taylor不穩(wěn)定、已燃?xì)怏w的渦旋運(yùn)動等相互作用導(dǎo)致。因為流場中存在多道激波，在多道激波作用情況下，火焰形態(tài)不斷變化。運(yùn)動激波后氣體存在伴隨運(yùn)動，隨著多道激波經(jīng)過觀察窗，觀察窗處流場流動方向由向尾端流動轉(zhuǎn)為向點(diǎn)火端流動。隨著流場向點(diǎn)火端處流動速度增加，火焰也呈現(xiàn)由減速逐漸轉(zhuǎn)向回流的情況。由圖3也可明顯觀察到407.2 ms時火焰前鋒到達(dá)觀察窗中部，隨著流場流動速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?19.8 ms火焰完全退至觀察窗之前。432.2 ms火焰重新傳播至觀察窗，此時一道激波運(yùn)行至火焰前鋒之前，435.2 ms火焰與激波相遇后出現(xiàn)回流。由于火焰鋒面前后氣體密度存在差異，激波與火焰相遇后發(fā)生RM(Richtmyer-Meshkov)不穩(wěn)定。在435.2 ms圖像中明顯觀察到由于界面擾動產(chǎn)生的“釘”、“泡”結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上火焰進(jìn)一步失穩(wěn)發(fā)生KH(Kelvin-Helmholtz)不穩(wěn)定，火焰對未燃?xì)怏w進(jìn)行卷吸，使得火焰加速。

注：圖中激波均為向右移動。點(diǎn)火端位于右側(cè)。圖中紅色為火焰前鋒邊界圖 3 激光紋影圖像(工況1)Fig. 3 Laser schlieren image(condition 1)

由圖4可見激波通過障礙物區(qū)域時，激波的繞射和反射。由186.2 ms圖像可見激波陣面已近發(fā)生畸變，但此陣面在傳播過程中由于壁面約束作用，會逐漸恢復(fù)為平面激波。經(jīng)過障礙物反射后激波陣面向相反方向傳播，障礙物反射激波在傳播過程中不斷對氣流擾動。由于反射激波陣面位于界面下方，使管內(nèi)氣流上部和下部流速和壓力出現(xiàn)不均衡。使得障礙物周圍流場內(nèi)湍流度急劇上升。點(diǎn)火端反射激波經(jīng)過障礙物反射后會向火焰鋒面方向傳播，最終與火焰鋒面相遇，對火焰鋒面造成擾動。同時波后氣流在經(jīng)過障礙物時產(chǎn)生渦團(tuán)，使得障礙物附近湍流度上升。由圖4可以觀察到396.2 ms在火焰未到達(dá)障礙物時，火焰就發(fā)生了銳角化形變，火焰上偏移。觀察400.2 ms圖像，面向障礙物的火焰下端出現(xiàn)向內(nèi)凹陷，火焰褶皺數(shù)量明顯增加。402.4～403.4 ms火焰前鋒經(jīng)過障礙物，觀察圖像發(fā)現(xiàn)過障礙物后火焰出現(xiàn)向下內(nèi)卷，火焰失穩(wěn)造成湍流加劇使得火焰前鋒陣面褶皺增大。同時此段可以視作一個突擴(kuò)管結(jié)構(gòu)，形成射流。使得火焰進(jìn)一步加速。對比工況1和工況2激光紋影圖像發(fā)現(xiàn)，障礙物加入使得激波在障礙物處發(fā)生反射和繞射，使瓦斯爆炸流場紊亂產(chǎn)生多道激波陣面和橫波?；鹧娴诌_(dá)障礙物處發(fā)生拉伸和形變火焰褶皺增多，增大火焰鋒面面積，使得火焰失穩(wěn)加速。

注：箭頭方向為激波運(yùn)動方向圖 4 激光紋影圖像(工況2)Fig. 4 Laser schlieren image(condition 2)

由圖5工況3激波火焰相互作用圖可見激波陣面經(jīng)過第一個障礙物后，已經(jīng)不是一個完整陣面。激波在第一個障礙物尾端產(chǎn)生馬赫反射生成弧形沖擊波，經(jīng)過第二個障礙物時繼續(xù)在邊角位置發(fā)生馬赫反射使得流場內(nèi)波系進(jìn)一步紊亂，障礙物間沖擊波陣面發(fā)生交叉，產(chǎn)生多道錯亂波系。波后氣流流經(jīng)障礙物時在障礙物周圍明顯可以觀察到渦團(tuán)產(chǎn)生。由圖5可見，工況3經(jīng)過第一個障礙物時火焰形變與工況2類似，在火焰未到達(dá)障礙物時，火焰就發(fā)生了銳角化形變，火焰向上偏移，面向障礙物的火焰下端出現(xiàn)向內(nèi)凹陷。387.6～388.4 ms火焰前鋒經(jīng)過第一個障礙物，在第一障礙物后火焰發(fā)生向下內(nèi)卷，火焰充入兩障礙物間隙?；鹧驿h面在389.2 ms抵達(dá)第二個障礙物，攜帶著火焰內(nèi)卷趨勢加速通過第二個障礙物。第二個障礙物的存在增大了此處激勵效應(yīng)，使得火焰加速噴射出障礙物區(qū)域。對比工況2和工況3激光紋影圖像，相較于單一障礙物，兩個障礙物存在使得流場更加紊亂。隨著障礙物數(shù)量增加，火焰褶皺面積增大，化學(xué)反應(yīng)加速，火焰加速傳播。

3.2 壓力、火焰?zhèn)鞲衅餍盘柗治?/h3>

由圖6可見，工況1未加入障礙物的空載管道P4點(diǎn)壓力圖像。管道內(nèi)瓦斯爆炸，由于管道封閉，沖擊波在管道內(nèi)不斷反射，使得管道內(nèi)壓力不斷震蕩。瓦斯爆炸首先產(chǎn)生一道前驅(qū)沖擊波a，后續(xù)由于火焰熱輻射形成的一道壓縮波b。經(jīng)過尾端盲板反射后前驅(qū)沖擊波c和壓縮波d由尾端繼續(xù)向點(diǎn)火端傳播。這兩道反射波性質(zhì)上都屬于壓縮波，無論從哪個方向經(jīng)過該點(diǎn)都會使得壓力上升。反射波經(jīng)過前端點(diǎn)火端反射和火焰作用后波形更加復(fù)雜紊亂，使得管道內(nèi)壓力震蕩更加劇烈。主要是因為：(1)點(diǎn)火端直徑與管道不同，經(jīng)過點(diǎn)火端反射后首先出現(xiàn)一個類環(huán)形激波，后續(xù)反射一個圓面激波。類環(huán)形激波發(fā)生激波聚焦，重新發(fā)展為一個平面。圓面激波因為管壁約束作用，隨著向前傳播也會重新發(fā)展為一個平面，這就由一道激波陣面衍生出兩道激波陣面。(2)激波與火焰陣面相互作用，激波由已燃?xì)怏w穿過火焰峰面進(jìn)入未燃?xì)怏w時，由于已燃?xì)怏w密度低未燃?xì)怏w密度高。激波發(fā)生一個透射和一個反射，這兩道波均為激波。這就產(chǎn)生多道激波使得波系進(jìn)一步紊亂。進(jìn)而解釋了壓力圖像由“突躍-緩降”轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌鸱欢ā钡脑颉?/p>

注：箭頭方向為激波運(yùn)動方向圖 5 激光紋影圖像(工況3)Fig. 5 Laser schlieren image(condition 3)

圖 6 P4傳感器壓力信號(工況1)Fig. 6 Pressure signal of P4 sensor(condition 1)

圖7為各測點(diǎn)最大超壓圖，由圖像可見，障礙物之前三個工況最大超壓基本一致，障礙物之后不同工況超壓情況出現(xiàn)明顯差異。未加障礙物管道最大超壓一直呈現(xiàn)上升趨勢；加入障礙物后最大超壓在P7傳感器處達(dá)到最大值，在尾端呈現(xiàn)下降趨勢。

由圖8可見，在爆炸初期，壓力曲線基本一致。隨著火焰?zhèn)鞑ブ琳系K物附近位置，加入障礙物的壓力曲線起伏波動更加劇烈，隨著障礙物增加波動程度增大；超壓上升明顯增大。結(jié)合火焰圖像分析，火焰經(jīng)過障礙物后失穩(wěn)，前鋒陣面面積增大，化學(xué)反應(yīng)加快產(chǎn)生更多能量使得障礙物后超壓上升，隨著障礙物數(shù)量增加，湍流度上升，火焰進(jìn)一步失穩(wěn)加速，使得化學(xué)反應(yīng)加快產(chǎn)生更多能量導(dǎo)致壓力進(jìn)一步上升。隨著火焰?zhèn)鞑?，障礙物對瓦斯爆炸的激勵效應(yīng)逐漸減弱?；鹧嫠俣冉档停瘜W(xué)反應(yīng)減弱，產(chǎn)生超壓降低，逐漸趨近未加障礙物條件。

圖 7 測點(diǎn)最大超壓Fig. 7 Maximum overpressure at measuring

圖 8 不同工況尾端壓力曲線Fig. 8 Tail pressure curves under different working conditions

圖9為工況1、2火焰速度圖，V1為F1-F2之間平均速度、V2為F2-F3間平均速度以此類推，可見加入障礙物后火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)明顯變化。在障礙物附近火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@上升，在傳感器F3-F6傳感器間出現(xiàn)明顯加速，對比工況1和工況2，工況2的F3-F4間平均速度為46.819 m/s，相對工況1增長155.1%。F4-F5傳感器間平均速度為56.926 m/s，增長483.7%,F5-F6平均速度30.571 m/s，增加67.5%。障礙物對于火焰?zhèn)鞑ゼ钚?yīng)主要作用于障礙物前后區(qū)間。且經(jīng)過障礙物后速度逐漸恢復(fù)為未加障礙物水平。

圖 9 工況1、2火焰速度圖Fig. 9 Flame velocity diagram in conditions 1 and 2

表1為不同障礙物條件下壓力火焰特征，由表1可見隨著障礙物數(shù)量增加最大壓力呈上升趨勢。未加障礙物管道內(nèi)瓦斯爆炸最大超壓為128.503 kPa。加入一個障礙物后最大超壓達(dá)到172.071 kPa，相比工況1增長32.3%。加入兩個障礙物時最大超壓達(dá)到228.808 kPa相對工況2超壓增長33.0%；相對工況1增長78.1%。工況1最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?6.425 m/s，加入一個障礙物的工況2火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?6.926 m/s，相對工況1最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?15.4%。加入兩個障礙物的工況3最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?9.505 m/s，相對工況1最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鲩L163.0%，相對工況2最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鲩L16.0%?？梢?，加入障礙物后瓦斯爆炸最大超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣榷加辛孙@著提升，且隨著障礙物數(shù)量增加最大超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫渤掷m(xù)增加。障礙物加入使得瓦斯爆炸更具破壞性，隨著障礙物數(shù)量增加瓦斯爆炸破壞性上升。

表1 壓力火焰特征Table 1 Characteristics of pressure flame

4 結(jié)論

(1)激波在障礙物處發(fā)生反射和繞射，使瓦斯爆炸流場紊亂產(chǎn)生多道激波陣面和橫波?；鹧娴诌_(dá)障礙物處發(fā)生拉伸和形變火焰褶皺增多，增大火焰鋒面面積，使得火焰失穩(wěn)加速。增加障礙物數(shù)量導(dǎo)致波系進(jìn)一步紊亂，火焰形變加劇。

(2)障礙物存在使瓦斯爆炸最大超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙?。隨著障礙物增加，激勵效應(yīng)增強(qiáng)。障礙物對瓦斯爆炸激勵效應(yīng)主要作用于障礙物周圍區(qū)間，隨著障礙物數(shù)量增加，激勵效應(yīng)影響區(qū)間增大。

(3) 在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)減少避免巷道中障礙物尤其是多個障礙物隊列式分布存在，以降低事故危險程度。在事故調(diào)查之中可以通過瓦斯爆炸對巷道毀傷判斷障礙物參與情況及火源位置。