障礙物阻塞率梯度對(duì)甲烷爆炸特性影響研究

余明高，馬梓茂，韓世新，王雪燕，陳傳東

（1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；2河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003）

引 言

甲烷爆炸作為煤礦井下最危險(xiǎn)的事故之一，是煤礦安全生產(chǎn)的主要危害。在一些生產(chǎn)過(guò)程中存在甲烷的化工企業(yè)，同樣面臨甲烷爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。爆炸一旦發(fā)生，所伴隨的爆炸超壓將破壞建筑結(jié)構(gòu)、損壞機(jī)械設(shè)備以及造成人員傷亡[1-4]。與此同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中所使用的通風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸設(shè)備、供電設(shè)備，壁面的不平整，巷道（通道）截面積的突變等都可視為障礙物，不僅增加通風(fēng)阻力，還對(duì)爆炸火焰的傳播產(chǎn)生影響。研究表明，障礙物的存在將促進(jìn)爆炸火焰的加速，加劇爆炸超壓的上升，從而造成更嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[5-10]。因此，從安全的角度考慮，研究障礙物與火焰的相互作用，對(duì)制定減輕爆炸事故危害程度的相關(guān)措施尤其重要。

障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響很早就引起了研究者的關(guān)注。早在1926年，Chapmant等[11]就發(fā)現(xiàn)障礙物能加速管道內(nèi)火焰的傳播。Fairweather等[12]對(duì)比研究了火焰在空容器和含障礙物的容器中傳播時(shí)火焰的位置、形狀和產(chǎn)生的超壓，指出障礙物的存在會(huì)顯著增強(qiáng)火焰的加速和超壓。此后，研究者們對(duì)障礙物促爆機(jī)理及其相關(guān)參數(shù)(如障礙物形狀、阻塞率、位置、數(shù)量及間距等)的影響進(jìn)行了大量的研究[13-26]。

在障礙物促爆機(jī)理的研究中，林柏泉等[13]提出了氣體流動(dòng)與燃燒過(guò)程之間的正反饋耦合機(jī)理。他們認(rèn)為，障礙物的存在會(huì)使流場(chǎng)變形，并在障礙物表面的邊界層和尾部形成速度梯度，這使火焰通過(guò)障礙物后發(fā)生拉伸和折疊，使得火焰表面積增大從而導(dǎo)致熱釋放速率增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，這又會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)進(jìn)一步增大，引起更強(qiáng)烈的火焰拉伸和折疊。Johansen等[14]使用紋影攝影和氦跟蹤技術(shù)來(lái)觀察流場(chǎng)變化，證明了障礙物之間形成對(duì)稱(chēng)渦流，渦流引起的湍流燃燒是火焰加速的主要原因。在對(duì)障礙物相關(guān)參數(shù)的研究中，Masri等[15]研究了圓形、方形、三角形三種不同形狀截面障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)方形障礙物能造成最大的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑘A形障礙物引起的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?。Ibrahim等[16]采用20 L的開(kāi)口容器研究了三角形、正方形、菱形和平板形狀的障礙物，發(fā)現(xiàn)平板型障礙物產(chǎn)生最高的超壓，而圓柱形障礙物產(chǎn)生最低的超壓。Johansen等[17]研究了阻塞率對(duì)矩形管內(nèi)初始火焰加速傳播過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)在初始階段，障礙物的高阻塞率對(duì)火焰的加速作用更明顯。陳道陽(yáng)等[18]采用數(shù)值模擬的方法研究了障礙物阻塞率對(duì)爆炸場(chǎng)內(nèi)火焰速度的影響，發(fā)現(xiàn)低阻塞率下，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，但隨著阻塞率增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫矫黠@增大。Wen等[19]探討了障礙物橫向位置對(duì)火焰動(dòng)力學(xué)的影響，指出位于中心位置障礙物的火焰加速速率最高，交錯(cuò)位置障礙物的火焰超壓最高。丁以斌等[20]通過(guò)研究長(zhǎng)方體、三棱柱和圓柱三種立體障礙物的放置方式對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)方體的放置方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱挠绊戄^小，三棱柱和圓柱影響較大。Hall等[21]利用激光激發(fā)熒光成像技術(shù)研究了障礙物數(shù)目和位置對(duì)湍流預(yù)混火焰的影響，發(fā)現(xiàn)隨著障礙物數(shù)量增大、間距減小，超壓將增大，但是超壓的增大有一定限度。

目前的研究主要集中在單個(gè)障礙物的形狀和阻塞率，以及相同阻塞率的多個(gè)障礙物的數(shù)量和間距的研究?，F(xiàn)有的障礙物誘導(dǎo)火焰加速機(jī)理僅適用于單個(gè)障礙物或具有相同阻塞率的多個(gè)障礙物。然而，實(shí)際場(chǎng)景中障礙物的排布則更加復(fù)雜，往往障礙物在巷道中的阻塞率并非總是相同，不同阻塞率障礙物的排布順序、阻塞率的梯度差異等也可能對(duì)火焰?zhèn)鞑ピ斐捎绊憽５珜?duì)于多個(gè)不同阻塞率障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊懙难芯繀s鮮有報(bào)道。因此，針對(duì)這一研究空白進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并開(kāi)展研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文主要聚焦于阻塞率梯度對(duì)甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヒ约俺瑝貉葑兊挠绊憽Ｗ枞侍荻榷x為沿火焰?zhèn)鞑シ较?，下游障礙物與其相鄰上游障礙物的阻塞率的差值。實(shí)驗(yàn)在阻塞率梯度為0~0.15、甲烷體積分?jǐn)?shù)φ為8%~11%的工況下進(jìn)行，通過(guò)高速攝像機(jī)和高頻壓力傳感器詳細(xì)記錄了火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c超壓變化過(guò)程，并針對(duì)這些參數(shù)隨阻塞率梯度以及甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管道采用透明石英玻璃制成，厚20 mm，尺寸為100 mm×100 mm×1000 mm。管道兩側(cè)采用TP304不銹鋼板密封。為保證安全，管道右上側(cè)壁面開(kāi)有直徑為25.4 mm的圓形泄爆口。通氣過(guò)程中，泄爆口采用PVC薄膜密封。點(diǎn)火頭位于左側(cè)鋼板的幾何中心處，點(diǎn)火能量約為30 mJ。從左至右，距點(diǎn)火頭200、400、600 mm的管道上壁面處可安裝障礙物，依次記為OB1、OB2、OB3。障礙物形狀為長(zhǎng)方體塊狀，長(zhǎng)寬分別為100 mm、10 mm，其高度為10~40 mm，阻塞率為障礙物高度與管道高度的比值。進(jìn)氣口位于管道左端，而出氣口位于管道末端上壁面。通氣過(guò)程中，甲烷和空氣總流量為5 L/min，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況所需，計(jì)算預(yù)混氣體中甲烷和空氣各自流量，然后通過(guò)質(zhì)量流量控制器（MFC，誤差±1%）精確控制，通氣時(shí)間持續(xù)10 min。由于通氣量（50 L）超過(guò)管道容積（10 L）的4倍，管道內(nèi)甲烷的體積分?jǐn)?shù)與設(shè)定值一致[27]。通氣結(jié)束靜置30 s后點(diǎn)火，壓力采集系統(tǒng)和高速攝像機(jī)同時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。壓力采集系統(tǒng)由拓普測(cè)控科技有限公司的NUXI動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀和上海銘控傳感器技術(shù)有限公司的MD-HF型號(hào)壓力傳感器組成，采樣頻率設(shè)置為10 kHz，測(cè)量范圍為-0.1～0.8 MPa，誤差為±0.25%。高速攝影機(jī)采用PHANTOM VEO 710L型高速攝像機(jī)，采樣頻率設(shè)置為2000 fps，分辨率為1280×160。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Illustration of experimental setup

本實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)與部分研究者的實(shí)驗(yàn)裝置有相似之處[20,28-29]。其中，與丁以斌等[20,28]的實(shí)驗(yàn)裝置相比，實(shí)驗(yàn)管道均為小尺寸方形有機(jī)玻璃管道，可用于研究火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)變化規(guī)律,不同的是，本實(shí)驗(yàn)管道為封閉式管道，而丁以斌等的實(shí)驗(yàn)管道為半封閉式，實(shí)驗(yàn)中的爆炸超壓相對(duì)較小。與Yang等[29]的實(shí)驗(yàn)裝置相比，實(shí)驗(yàn)均使用高速攝像機(jī)和壓力傳感器采集圖像和壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)管道均為有機(jī)玻璃材質(zhì)，且管道均為封閉式，不同的是，本實(shí)驗(yàn)管道中內(nèi)置三組障礙物且阻塞率各不相同，而Yang等的實(shí)驗(yàn)管道中僅設(shè)置一組障礙物；并且本實(shí)驗(yàn)中障礙物僅安裝在管道上壁面，而Yang等采用上下壁面對(duì)稱(chēng)安裝的方式。多組障礙物對(duì)火焰加速的機(jī)理與采用單組障礙物時(shí)有所不同，Bychkov等[30]提出的多重柵欄型障礙物（阻塞率均相同）對(duì)火焰的超快速物理加速機(jī)理，具有很廣的適用范圍[31-32]，卻并未考慮阻塞率不同的障礙物排列工況。綜上，小尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。

本實(shí)驗(yàn)僅考慮阻塞率梯度的影響，不考慮障礙物的間距、形狀等與阻塞率梯度的耦合作用。所用障礙物組共四組，根據(jù)阻塞率梯度大小分別命名為C0、C0.05、C0.1、C0.15,其下角標(biāo)表示該工況阻塞率梯度，阻塞率配置方式如表1所示。為控制阻塞率梯度為單一變量，四種障礙物組的平均阻塞率相同，平均阻塞率定義為管道中所有障礙物阻塞率的算術(shù)平均值。每個(gè)障礙組分別在φ=8%、9%、10%、11%時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共計(jì)16個(gè)工況，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，每個(gè)工況均在常溫常壓下進(jìn)行，且進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)?；诒疚难芯砍晒罄m(xù)將會(huì)對(duì)阻塞率梯度影響瓦斯爆炸特性開(kāi)展系統(tǒng)研究。

表1 阻塞率梯度配置Table 1 Blockage rate gradient configuration

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰結(jié)構(gòu)

圖2展示了φ=10%時(shí)不同障礙物阻塞率梯度下的火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)。由于甲烷火焰較暗，不易分析觀察，利用圖像處理軟件對(duì)該圖的亮度和對(duì)比度進(jìn)行了統(tǒng)一調(diào)整。如圖所示，在t≤23 ms，火焰未經(jīng)過(guò)障礙物，C0、C0.05、C0.1、C0.15工況在同一時(shí)刻的火焰結(jié)構(gòu)近似一致。該過(guò)程，火焰結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了半球形階段和指形階段，其火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度有關(guān)，下游是否存在障礙物并無(wú)影響[33]。在t=27.5 ms時(shí)，火焰前鋒逐漸接近OB1，由于其障礙物的存在使未燃?xì)怏w的流場(chǎng)發(fā)生改變，因此火焰前鋒開(kāi)始變得尖銳，隨后根據(jù)其所在工況OB1阻塞率大小差異開(kāi)始出現(xiàn)不同程度拉伸。在t約為31 ms時(shí)，各工況火焰經(jīng)過(guò)OB1，由于障礙物的剪切作用，其下游出現(xiàn)不同大小的逆時(shí)針渦旋，在渦旋的卷吸作用下，火焰向上卷曲。2 ms后，火焰接觸到上壁面并將一部分未燃?xì)怏w包裹進(jìn)火焰內(nèi)部，此時(shí)，火焰前鋒一部分火焰向前傳播，一部分火焰向后傳播，火焰湍流燃燒加劇?；鹧娼?jīng)過(guò)OB2的現(xiàn)象與上述過(guò)程類(lèi)似，但各工況形成渦旋的大小略有差異。在火焰到達(dá)OB3時(shí)，經(jīng)過(guò)OB1、OB2對(duì)火焰的加速，火焰湍流程度較大，前鋒輪廓線(xiàn)變得模糊。值得注意的是，C0、C0.05的火焰在經(jīng)過(guò)OB3不久后，前鋒輪廓再次顯現(xiàn)，隨著火焰繼續(xù)傳播，分別在t=43 ms和t=43.5 ms時(shí)，中心處火焰向燃燒區(qū)凹陷。而反觀C0.1、C0.15工況，在經(jīng)過(guò)OB3后，火焰前鋒輪廓依舊模糊，隨著火焰持續(xù)傳播，迅速在整個(gè)管道中爆燃起來(lái)，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)火焰前鋒向燃燒區(qū)凹陷的現(xiàn)象。密閉管道火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，產(chǎn)生的反射壓力波與火焰相互作用會(huì)減慢甚至逆轉(zhuǎn)封閉管道中的火焰[15]。因此，該實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的凹陷現(xiàn)象可能是火焰與反射壓力波相互作用所致。

如圖2所示，從形成各火焰結(jié)構(gòu)所需時(shí)間來(lái)分析，C0、C0.05、C0.1、C0.15的火焰在經(jīng)歷半球形階段和指形階段時(shí)，時(shí)間上的重合性很好，該過(guò)程，火焰結(jié)構(gòu)的演變主要與層流燃燒速度有關(guān)，下游障礙物對(duì)其幾乎無(wú)影響?；鹧娼?jīng)過(guò)障礙物后，C0、C0.05、C0.1、C0.15形成各火焰結(jié)構(gòu)所需時(shí)間出現(xiàn)差異。在火焰達(dá)到OB3時(shí)，C0、C0.05、C0.1、C0.15所用時(shí)間分別為t=40.5 ms、41.5 ms、42 ms、44 ms。隨著火焰繼續(xù)傳播，大約在t=48 ms時(shí)，4個(gè)工況的火焰抵達(dá)管道末端。通過(guò)對(duì)上述時(shí)間的分析，足以說(shuō)明從點(diǎn)火到火焰經(jīng)過(guò)OB3的過(guò)程中，阻塞率梯度越小，平均火焰速度越大，在OB3至管道末端中，阻塞率梯度越大，平均火焰速度越大。

2.2 火焰前鋒動(dòng)力學(xué)特征

本實(shí)驗(yàn)中，障礙物全位于管道上壁面，由于火焰經(jīng)過(guò)單邊障礙物時(shí)受障礙物的擠壓作用會(huì)向障礙物對(duì)立面偏移，因此在火焰經(jīng)過(guò)障礙物前，火焰前鋒定義為管道軸線(xiàn)方向上的最前沿火焰點(diǎn)，火焰經(jīng)過(guò)障礙物后，火焰前鋒定義為靠近管道下壁的最前沿火焰點(diǎn)?；鹧媲颁h速度v可由公式v=ΔXF計(jì)算得出，其中，ΔX指高速攝像機(jī)拍攝的相鄰兩幀圖片中火焰前鋒之間的像素距離，圖片像素與真實(shí)距離的換算大約為9像素=1 cm，F(xiàn)指高速攝像機(jī)設(shè)置的頻率，該值為2000 fps。

圖3展示了φ=10%時(shí)火焰前鋒位置隨時(shí)間的變化。如圖所示，當(dāng)t<25 ms時(shí)，C0、C0.05、C0.1、C0.15的火焰前鋒軌跡曲線(xiàn)幾乎重合，該過(guò)程中，火焰經(jīng)歷了從點(diǎn)火到半球形火焰，再到指形火焰的變化（如圖2所示），火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度有關(guān)。當(dāng)4個(gè)工況的火焰前鋒經(jīng)過(guò)OB1時(shí)，由于其各自阻塞率差異，軌跡曲線(xiàn)出現(xiàn)了一個(gè)小波動(dòng)后開(kāi)始出現(xiàn)分離，從上至下依次是C0、C0.05、C0.1、C0.15，這也說(shuō)明此時(shí)（即各曲線(xiàn)由于斜率差異剛出現(xiàn)分離時(shí)）火焰?zhèn)鞑ニ俣萔（C0）>V（C0.05）>V（C0.1）>V（C0.15）。隨后4種工況的火焰前鋒軌跡呈現(xiàn)波浪式上升，在t=48 ms時(shí)，四條火焰前鋒軌跡線(xiàn)匯于一點(diǎn)。由此可見(jiàn)，平均阻塞率一致時(shí)，阻塞率梯度僅對(duì)火焰?zhèn)鞑サ乃矔r(shí)速度有影響，而對(duì)整個(gè)過(guò)程的火焰平均速度并無(wú)太大影響。

圖2 不同阻塞率梯度下的火焰結(jié)構(gòu)演變Fig.2 Evolution of flame structure under different blockage rate gradients

圖4為最具代表性的火焰?zhèn)鞑ニ俣葰v程，顯示了在φ=10%時(shí)火焰前鋒速度隨距離的變化。根據(jù)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中速度變化的不同，將整個(gè)過(guò)程分為4個(gè)階段。如圖所示，StageⅠ的火焰?zhèn)鞑?duì)應(yīng)于圖3中t<25 ms的過(guò)程，火焰還未經(jīng)過(guò)障礙物，處于層流燃燒階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓c其下游障礙物無(wú)關(guān)，因此，C0、C0.05、C0.1、C0.15的速度曲線(xiàn)近似重合。StageⅡ中，火焰開(kāi)始接觸障礙物。首先，在障礙物的擠壓作用下，火焰拉升，速度提升，由于C0、C0.05、C0.1、C0.15中OB1阻塞率差異，各工況出現(xiàn)的速度峰值也有所差異；隨后，障礙物的剪切作用使其下游形成大小不一的渦旋，在渦旋的卷吸下，各工況火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，待渦旋破壞，火焰湍流燃燒加劇，速度再次增大。StageⅢ和StageⅣ中的火焰也經(jīng)歷了同樣的過(guò)程，其中，StageⅢ與StageⅡ的峰值火焰速度呈現(xiàn)V(C0)>V(C0.05)>V(C0.1)>V(C0.15)的規(guī)律。而StageⅣ卻恰好相反，其峰值火焰速度V(C0.15)>V(C0.1)>V(C0.05)>V(C0)。由此可知，沿火焰?zhèn)鞑シ较蜃枞蔬f增且平均阻塞率一定時(shí)，阻塞率梯度越大，火焰在剛經(jīng)過(guò)障礙物不久時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫?，但隨著火焰不斷通過(guò)后續(xù)高阻塞率障礙物后，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)迅速提升，最終超過(guò)阻塞率梯度較小工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。但是，?dāng)障礙物阻塞率較大時(shí)，由于火焰通過(guò)障礙物散熱極大，障礙物對(duì)火焰不表現(xiàn)為促進(jìn)作用，相反，會(huì)抑制火焰?zhèn)鞑34]，因此以上規(guī)律僅在低阻塞率情況下適用，對(duì)于其適用界限，由于實(shí)驗(yàn)的局限性，此處不予討論。

圖3 火焰前鋒位置隨時(shí)間的變化（φ=10%）Fig.3 Flame front position changed with time(φ=10%)

圖4 火焰前鋒速度歷程（φ=10%）Fig.4 Velocity history of flame front(φ=10%)

如圖4所示，4種工況下的最大火焰速度，Vmax發(fā)生在StageⅣ，有Vmax(C0.15)>Vmax(C0.1)>Vmax(C0.05)>Vmax(C0)的規(guī)律（由于該曲線(xiàn)為B-樣條曲線(xiàn)，不全經(jīng)過(guò)各數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此在C0.1、C0.05峰值圖像上出現(xiàn)視覺(jué)誤差）。障礙物對(duì)火焰的加速作用主要表現(xiàn)為對(duì)火焰的擠壓作用和剪切作用。擠壓作用即類(lèi)似流體力學(xué)中通過(guò)減小橫截面積而增大流速，而剪切作用使障礙物下游形成渦旋，在渦旋的卷吸下，火焰湍流化加劇，從而增大火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?duì)于阻塞率梯度較大的工況，例如C0.15，由于前端障礙物阻塞率低，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，因此有更多的時(shí)間使火焰湍流化，隨著火焰?zhèn)鞑?，后續(xù)障礙物阻塞率大幅增大，更好地發(fā)揮了障礙物的擠壓作用，因此，C0.15工況能最大地發(fā)揮出兩者對(duì)火焰的加速作用，從而使Vmax(C0.15)達(dá)到最大。此 外，Vmax(C0)、Vmax(C0.05)、Vmax(C0.1)、Vmax(C0.15)的具體數(shù)值分別為103.13、105.68、107.35、115.88。Vmax(C0.1)、Vmax(C0.15)較Vmax(C0)分別增大了4.1%和12.3%，由此可見(jiàn)，當(dāng)阻塞率梯度小于0.1時(shí)，對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^小，當(dāng)阻塞率梯度大于0.1時(shí)，對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇@著增大。

可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)是影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊粋€(gè)重要因素。圖5給出了不同阻塞率梯度下甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽Ｈ鐖D所示，在4個(gè)阻塞率梯度下，隨著φ從8%增至11%，各工況速度曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致一致，但速度大小不盡相同。其中，當(dāng)φ=9%和10%時(shí)，由于接近化學(xué)計(jì)量體積分?jǐn)?shù)，火焰燃燒較充分，火焰曲線(xiàn)位于上端，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大；當(dāng)φ=8%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€(xiàn)位于最下端，速度最小。對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯颠M(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)：甲烷體積分?jǐn)?shù)φ=8%、9%、10%、11%時(shí)，隨著障礙物阻塞率梯度從0增至0.15，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯捣謩e增大了20.73%、10.30%、12.36%、26.48%。由此可見(jiàn)，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)φ=8%和11%（即遠(yuǎn)離化學(xué)計(jì)量體積分?jǐn)?shù)9.5%）時(shí)，阻塞率梯度的增加對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯档脑龇绊懜@著。

圖5 火焰前鋒速度歷程（φ=8%~11%）Fig.5 Velocity history of flame front(φ=8%—11%)

2.3 壓力演變

壓力波對(duì)于火焰振蕩和火焰形狀變化具有重要影響[35]。壓力波是由火焰面積的突然減小、火焰與管道壁或障礙物的碰撞產(chǎn)生的[36]。產(chǎn)生的壓力波在燃燒管道內(nèi)來(lái)回傳播，大量的壓力波會(huì)聚在一起，最終通過(guò)Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性影響火焰的振蕩和形狀變化[29]。

以φ=10%為例分析火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的壓力演變，如圖6所示。在0

圖6 壓力演變（φ=10%）Fig.6 Pressure evolution(φ=10%)

圖7展示了φ=8%、9%、11%時(shí)的壓力演變。如圖所示，從總體趨勢(shì)上看，4種阻塞率梯度工況在φ=8%、9%、11%時(shí)的壓力曲線(xiàn)與φ=10%時(shí)近似一致，同時(shí)，也有阻塞率梯度越大，壓力峰值越大，達(dá)到壓力峰值所需時(shí)間越多的規(guī)律。φ=8%、9%、11%的壓力曲線(xiàn)達(dá)到峰值壓力后開(kāi)始振蕩下降。對(duì)后期壓力振蕩分析發(fā)現(xiàn)，φ一定時(shí)，隨著阻塞率梯度的增大，振幅將減??；阻塞率梯度一定時(shí)，隨著φ接近9.5%，振幅將增大；無(wú)論阻塞率梯度、φ為何值時(shí)，振蕩周期始終保持一致，約為2.3 ms。

圖7 壓力演變（φ=8%、9%、11%）Fig.7 Pressure evolution(φ=8%,9%,11%)

峰值超壓作為工業(yè)安全的重要參數(shù)，具有很大的研究意義。圖8展示了四種阻塞率梯度在φ=8%~11%時(shí)的峰值超壓。其中，各數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值為三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，并作出誤差棒。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的誤差主要源自于壓力傳感器測(cè)量誤差與實(shí)驗(yàn)操作誤差，但在誤差允許范圍內(nèi)。如圖8所示，隨著阻塞率梯度的遞增，峰值超壓近似呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，其中，φ=10%的系列工況峰值超壓最大，φ=8%的系列工況超壓最小，以φ=10%和8%為例進(jìn)行定量分析。當(dāng)φ=10%時(shí)，C0、C0.05、C0.1、C0.15的 峰 值 超 壓 分 別 為216.00、233.11、248.17、265.64 kPa，C0.15較C0阻塞率梯度增大了0.15，峰值超壓增大了22.98%；當(dāng)φ=8%時(shí)，C0、C0.05、C0.1、C0.15的 峰 值 超 壓 分 別 為159.69、173.05、188.34、208.91 kPa，C0.15較C0阻塞率梯度增大了0.15，峰值超壓增大了30.82%。由此可見(jiàn)，φ=10%時(shí)，峰值超壓較大，但阻塞率梯度引起的壓力變化較小，反觀φ=8%，峰值超壓較小，但阻塞率梯度對(duì)峰值壓力變化影響很大。無(wú)論φ為何值時(shí)，均有峰值壓力隨阻塞率梯度降低而降低的規(guī)律，該規(guī)律可用于指導(dǎo)安全生產(chǎn)。在障礙物較多的井下巷道，可通過(guò)合理布局，達(dá)到降低爆炸危害的作用。

圖8 峰值超壓隨阻塞率梯度的變化Fig.8 Peak overpressure varying with blockage rate gradient

3 結(jié) 論

本文通過(guò)研究阻塞率梯度對(duì)管道內(nèi)甲烷火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中火焰結(jié)構(gòu)、速度變化、壓力演變的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道內(nèi)障礙物平均阻塞率一致時(shí)，得到以下結(jié)論。

（1）阻塞率梯度從0增至0.15時(shí)，管道末端火焰凹陷逐漸消失，火焰湍流燃燒加劇。該現(xiàn)象隨φ越接近化學(xué)計(jì)量體積分?jǐn)?shù)而越明顯。

（2）阻塞率梯度從0增至0.15時(shí)，峰值火焰速度增加，但平均火焰速度無(wú)明顯變化。當(dāng)φ偏離化學(xué)計(jì)量體積分?jǐn)?shù)時(shí)，阻塞率梯度對(duì)火焰速度增幅影響顯著。

（3）阻塞率梯度從0增至0.15時(shí)，峰值壓力會(huì)隨之增大，達(dá)到峰值壓力所需的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。在φ=10%時(shí)，峰值壓力最大，但阻塞率梯度增大對(duì)壓力大小的增幅影響較?。欢?8%時(shí)，峰值壓力最小，但阻塞率梯度增大對(duì)壓力增幅影響較大。

（4）井下煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，在易發(fā)生爆炸的地點(diǎn)應(yīng)對(duì)其附近障礙物（通風(fēng)設(shè)備、回采設(shè)備、供電設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等）進(jìn)行合理布局，盡量避免障礙物阻塞率呈現(xiàn)較大梯度的變化，以此達(dá)到降低爆炸危害的作用。