點火延遲時間對CO2-超細水霧的抑爆特性影響

裴蓓，康亞祥，余明高，郭佳琪，韋雙明，陳立偉

（1 河南理工大學，煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；2重慶大學，煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

引 言

瓦斯/煤塵爆炸是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要熱動力災害之一[1-2]，具有敏感性高、嚴重性強的特點。據(jù)統(tǒng)計，近十年來，我國發(fā)生煤礦重特大事故620余起，其中瓦斯/煤塵爆炸事故360 余起，共造成5600多人死亡，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來極大威脅，因此瓦斯/煤塵爆炸抑制研究對煤礦安全具有重要意義。

國內(nèi)外學者對影響甲烷/煤塵爆炸特性的因素進行了廣泛的研究。王博等[3-8]研究了煤塵粒子特性對可燃性煤塵云形成狀態(tài)的影響，分析其對瓦斯、煤塵爆炸特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)煤塵粒徑、揮發(fā)分等對瓦斯/煤塵爆炸壓力、火焰結(jié)構(gòu)及火焰?zhèn)鞑ニ俣扔酗@著影響。Cao等[9-12]研究發(fā)現(xiàn)隨著可燃物含量和實驗初始溫度的改變，火焰結(jié)構(gòu)、燃燒時間和傳播距離發(fā)生較大變化。王曉斌等[13-16]通過改變點火延遲時間研究不同的湍流環(huán)境對爆炸特性的影響，結(jié)果表明粉塵云的爆炸特性與粉塵的分散度有關(guān)，瓦斯/煤塵的最大爆炸壓力隨著點火延遲時間的改變出現(xiàn)明顯變化。

近年來，細水霧作為清潔抑爆介質(zhì)受到越來越多學者的關(guān)注。Song 等[17-19]通過數(shù)值模擬研究了超細水霧抑制甲烷/空氣爆炸機理，發(fā)現(xiàn)水霧抑爆的機理主要是蒸發(fā)吸熱。李振峰等[20-22]研究發(fā)現(xiàn)細水霧的冷卻吸熱、稀釋隔氧作用能縮短爆炸預熱區(qū)長度，未燃可燃氣體含量增加，削弱混合物的爆炸強度。陳彪等[23]利用自制豎直管道式爆炸裝置研究發(fā)現(xiàn)，增加細水霧濃度明顯降低了瓦斯/煤塵最大爆炸壓力，并延長了最大爆炸壓力的來臨時間，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S水霧濃度的增大而減小。然而，單一細水霧抑爆效果不穩(wěn)定，常新明等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)水霧濃度不足或者水霧粒徑較大會導致爆炸壓力增大。Wei等[26-27]研究了CO2或N2-超細水霧抑制瓦斯/煤塵復合體系爆炸特性以及對瓦斯爆炸誘導沉積煤塵爆炸火焰加速特性的影響，發(fā)現(xiàn)CO2、N2可起到預稀釋、惰化和擁塞作用，降低火焰速度和煤塵卷揚濃度，延長細水霧與火焰、煤塵接觸時間，提高了抑爆效果，二者聯(lián)合抑爆效果優(yōu)于單一抑爆劑，同時減少了對抑爆劑的需求量。

綜上，現(xiàn)有文獻重點研究了細水霧濃度對瓦斯/煤塵的抑爆特性，然而，細水霧和煤塵接觸時間的改變顯著影響煤塵運動與熱解，導致煤塵分布與熱環(huán)境發(fā)生變化，從而對瓦斯/煤塵復合爆炸產(chǎn)生不同的抑制效果，目前國內(nèi)外有關(guān)這方面的研究尚未開展。為此，本文采用20 L 爆炸球，通過改變點火延遲時間構(gòu)建不同的湍流環(huán)境，以深入了解CO2-超細水霧控制參數(shù)改變對抑爆效果的影響，為氣液兩相抑爆劑抑制瓦斯/煤塵爆炸工程實踐提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括20 L球形爆炸裝置、高速紋影系統(tǒng)、PIV 高速粒子成像、點火系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和超細水霧發(fā)生裝置。20 L球形爆炸裝置球體上裝有三面互為90°、110 mm 直徑的石英玻璃視窗。高速相機型號為Speed Sense VEO 710，像素設(shè)置為1280×800，拍 攝 頻 率 為5000 幀/秒，紋 影 儀 型 號 為CQW300，主要由光源、狹縫、小反射鏡、主反射鏡和刀口組成，利用紋影儀和高速相機通過視窗拍攝瓦斯/煤塵爆炸火焰圖片。點火系統(tǒng)由電火花發(fā)生器和點火電極組成，點火能量為60 J。系統(tǒng)通過計算機可設(shè)置點火延遲時間，控制噴粉后點火時間。噴粉系統(tǒng)由0.6 L 粉塵倉、電磁閥、高壓空氣瓶和分散片組成。經(jīng)過多次測量，0.8 MPa的噴粉倉壓力可保證煤塵分散均勻。配氣系統(tǒng)由真空泵、質(zhì)量流量計、空氣壓縮機等構(gòu)成，真空泵型號為FY-2C-N，將球內(nèi)抽為負壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高頻壓力傳感器和傳輸模塊組成，壓力傳感器的型號為PMC131G，量程為 0.1～2 MPa，精度為0.1%。同步控制系統(tǒng)由計算機控制點火、采集圖像和壓力數(shù)據(jù)。超細水霧發(fā)生裝置由超聲霧化器和有機玻璃水箱制成，經(jīng)過多次測量得出超細水霧發(fā)生裝置平均生成速率為11.2 g/min，通過控制水霧通入時間來改變20 L球內(nèi)的超細水霧質(zhì)量濃度。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 實驗材料

實驗采用經(jīng)300目（48 μm）篩網(wǎng)篩分的褐煤，煤粉質(zhì)量為0.2 g，工業(yè)分析如表1 所示。圖2 為煤粉粒徑分布，經(jīng)過NHT5200 激光粒度分析儀測量得知煤塵的中值粒徑為21 μm。

圖2 煤塵粒徑分布Fig.2 Particle size distributions of coal dust

表1 煤塵工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal dust

1.3 實驗方法

為了研究相關(guān)控制參數(shù)對CO2-超細水霧抑爆效果的影響。實驗中，CO2的體積分數(shù)為6%、10%、14%，甲烷體積分數(shù)為9.5%，煤粉質(zhì)量為0.2 g。點火延遲時間是噴粉倉噴粉到點火之間的間隔時間。經(jīng)過多次測試，點火延遲時間在800～2500 ms 時，煤塵分散均勻，且火焰圖像規(guī)則便于觀察分析，故點火延遲時間分別設(shè)置為1000、1500、2000 ms，點火位置處于球體中心，方便對形成的復合火焰圖像進行分析。通過改變水霧通入時間來確定20 L 球內(nèi)水霧濃度，超細水霧濃度設(shè)定為102、204、306 g/m3。

實驗前，先將球內(nèi)用真空泵抽成負壓，利用道爾頓分壓法依次通入不同濃度的超細水霧、9.5%的甲烷和不同體積分數(shù)的CO2；再向粉塵倉內(nèi)放入0.2 g 煤粉，關(guān)閉粉塵倉，將粉塵倉壓力充至0.8 MPa，然后設(shè)置點火延遲時間。通入水霧、甲烷/空氣預混氣及噴粉過程對水霧都有一定的攪拌作用，可減小因水霧通入時間不同而產(chǎn)生的沉降作用，減少其對實驗結(jié)果的影響。噴粉同時，同步控制器啟動高速相機和壓力采集系統(tǒng)，采集圖像和壓力數(shù)據(jù)；存取數(shù)據(jù)后，對球內(nèi)的廢氣、廢粉清掃干凈后開始第二組實驗。每一組實驗至少進行三次，避免實驗誤差對結(jié)果的影響。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 爆炸壓力

圖3 為不同點火延遲時間下瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線。Tousif 等[28-30]通過實驗和模擬研究了瓦斯/煤塵爆炸過程，將其壓力發(fā)展過程分為三個階段：壓力平穩(wěn)期、壓力劇增區(qū)、壓力減弱區(qū)。由圖3 可知，不同點火延遲時間下，瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線具有相同的發(fā)展趨勢，即點火初期瓦斯點燃后釋放能量引燃煤塵，此時由于煤塵剛開始參與反應產(chǎn)生能量較小，壓力處于平穩(wěn)階段；隨著爆炸反應進行，參與反應的煤塵越來越多，爆炸反應加劇，到達壓力劇增區(qū)；隨著反應進行，容器內(nèi)的氧氣含量減少，爆炸反應減緩，壓力減小，到達壓力減弱區(qū)，這與Tousif等[24-26]的研究結(jié)果一致?？梢钥闯?，點火延遲時間為1500、2000 ms 時的最大爆炸壓力相比1000 ms 分別降低了0.14%和3.84%，最大爆炸壓力來臨時間分別增加了19.17%和14.54%， 最大壓力上升速率分別降低了9.75%和17.22%，最大壓力上升速率來臨時間分別增加了23.11% 和15.14%?？梢?，點火延遲時間會導致不同的湍流環(huán)境，因此對瓦斯/煤塵混合體系爆炸超壓有重要影響。

圖3 不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線（0%CO2+0 g/m3 H2O）Fig.3 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve with different ignition delay time（0%CO2+0 g/m3H2O）

圖4 為10%CO2、204 g/m3超細水霧時不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線。由圖可知，點火延遲時間為2000 ms 時的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率相比1000 ms 分別降低了5.22%和39.16%，最大爆炸壓力來臨時間和最大壓力上升速率來臨時間分別增加了24.66%和20.03%。結(jié)果表明煤塵噴入20 L 球后，隨著點火延遲時間延長，CO2-超細水霧與煤粉接觸時間增加，增加了煤塵的濕度和惰化效果，使煤塵粒子更加容易聚集成團，削弱煤塵分散性，抑制了煤塵云的燃燒爆炸，為此瓦斯/煤塵爆炸最大爆炸壓力和最大壓力上升速率減小，壓力峰值來臨時間和最大壓升速率來臨時間延長?？梢娫谝直こ虒嵺`中，通過合理設(shè)計抑爆系統(tǒng)參數(shù)，延長抑爆劑與瓦斯/煤塵的接觸時間，可在一定程度上改善抑爆效果。

圖4 不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線（10%CO2+204 g/m3H2O）Fig.4 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve with different ignition delay time（10%CO2+204 g/m3H2O）

圖5 為10%CO2、1500 ms 點火延遲時不同水霧濃度的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓力上升速率曲線。由圖可知，隨著超細水霧濃度的增大，瓦斯/煤塵爆炸過程的三個階段來臨時間也隨之延長，最大爆炸壓力降低，且最大爆炸壓力和最大壓升速率來臨時間延長。這是由于水霧濃度增加，反應過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增多，蒸發(fā)的水蒸氣稀釋周圍的氧氣濃度，進一步削弱反應強度，導致最大爆炸壓力和最大壓力上升速率減小，壓力峰值來臨時間和最大壓升速率來臨時間延長。

圖5 不同濃度超細水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線(10%CO2+1500 ms)Fig.5 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve under the action of different concentrations of ultra-fine water mist (10%CO2+1500 ms)

圖6 為點火延遲時間為1500 ms、204 g/m3超細水霧時的CO2-超細水霧作用下瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓力上升速率曲線。由圖可知，6%CO2、10%CO2、14%CO2-超細水霧相比純瓦斯/煤塵爆炸的最大爆炸壓力分別降低了6.27%、13.41%、24.64%，最大爆炸壓力來臨時間分別延長了70.49%、140.98%、283.61%；最大壓升速率分別降低了35.23%、67.68%、84.85%，最大壓升速率來臨時間分別延長了68.69%、132.32%、243.43%，即瓦斯/煤塵爆炸反應強度隨著CO2體積分數(shù)的升高而降低，說明CO2-超細水霧能更好地抑制瓦斯/煤塵爆炸反應。

圖6 不同體積分數(shù)CO2作用時的壓力曲線和壓力上升速率曲線（204 g/m3H2O+1500 ms）Fig.6 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve under the action of different volume fraction of CO2（204 g/m3H2O+1500 ms）

圖7 為10%CO2時，最大爆炸壓力（Pmax）隨點火延遲時間和水霧濃度的變化曲線?？芍?，點火延遲時間為1000 ms 和1500 ms 時，相同水霧濃度時的最大超壓變化較小，而延遲點火時間至2000 ms 時，最大爆炸壓力明顯降低。點火延遲時間由1000 ms 增至2000 ms 時，204 g/m3和306 g/m3超細水霧時的最大爆炸壓力分別降低了4.51%和7.23%。這是由于CO2-超細水霧共同作用下，CO2的惰化作用抑制了瓦斯/煤塵的初始爆炸反應，降低了爆炸湍流效應，延長點火延遲時間使煤塵和水霧接觸時間增加，延長了超細水霧對煤塵的潤濕過程，有利于水霧發(fā)揮冷卻、稀釋和阻止煤塵參與燃燒反應的作用，煤塵分散度降低；而水霧濃度升高導致反應過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增多，產(chǎn)生的水蒸氣稀釋周圍的氧氣濃度，削弱爆炸反應強度，因此最大爆炸壓力進一步降低。

圖7 不同濃度超細水霧作用下Pmax隨點火延遲時間的變化曲線（10%CO2）Fig.7 Pmax curve with ignition delay time under different concentrations of ultra-fine water mist （10%CO2）

2.2 復合火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

瓦斯/煤塵爆炸火焰是含大量煤塵云的復合體，由于井下的甲烷/煤塵爆炸是沖擊波與火焰?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的耦合作用過程，煤粉在高湍流水平下的破碎會增加熱輻射效應，增強對火焰表面的拉伸，促進復合火焰加速，為此瓦斯/煤塵爆炸往往具有破壞性強的特點。為了更好地了解抑爆劑對瓦斯/煤塵復合爆炸火焰的抑制作用過程，有必要研究抑爆劑作用下瓦斯/煤塵復合火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳌?/p>

本文利用MATLAB 對復合火焰紋影圖像二值化和邊緣識別算法檢測火焰輪廓，得出火焰面積，最后由火焰面積計算火焰等效半徑，進而計算出火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍ咚?煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎氵^程如下。

由MATLAB 處理得出火焰的面積S，通過面積公式得出此時的火焰等效半徑rt：

圖8 為不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸初期v-r和r-t曲線。由圖8（a）可知，r＜10 mm 之前火焰?zhèn)鞑ゾ憩F(xiàn)出明顯的加速，這是因為電火花引燃瓦斯后，瓦斯燃燒火焰釋放的能量逐漸引燃煤塵，隨著煤塵參與爆炸，初始火焰?zhèn)鞑ニ俣缺憩F(xiàn)出明顯加速；r＞10 mm 后，點火延遲時間為1000 ms 和1500 ms 時火焰速度曲線均出現(xiàn)了波動上升態(tài)勢，且波動幅度較大；當點火延遲時間增至2000 ms 時，v-r曲線上升態(tài)勢減弱，且波動幅度較小，火焰速度稍低于其他工況。由圖8（b）可知，隨著點火延遲時間的增加，r-t曲線隨時間增加的變化曲線斜率逐漸減小，尤其在2000 ms 點火延遲時火焰半徑曲線斜率明顯降低，說明火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。

圖8 不同點火延遲時間的v-r和r-t曲線(0%CO2+0 g/m3H2O)Fig.8 v-r and r-t curves of different ignition delay time (0%CO2+0 g/m3H2O)

圖9 為6%CO2、204 g/m3超細水霧時不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸初期v-r和r-t曲線。由圖9（a）可知，6%CO2、204 g/m3超細水霧作用下，r＜10 mm 時，曲線增長緩慢，說明點火初期火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，r＞10 mm 后，v-r曲線呈大幅振蕩上升態(tài)勢，且2000 ms 點火延遲時間時火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@低于其他工況，這與圖3壓力變化曲線是對應的?？梢?，延長點火延遲時間使煤塵粒子更好地與水霧接觸，煤塵濕度增加可更顯著地影響煤塵的運動，抑制煤塵的燃燒和初期火焰?zhèn)鞑ゼ铀伲魅跬咚?煤塵爆炸沖擊波與復合火焰波的耦合互促機制，避免了強爆炸的產(chǎn)生。

圖9 不同點火延遲時間下v-r和r-t曲線(6%CO2+204 g/m3H2O)Fig.9 v-r and r-t curves of different ignition delay time (6%CO2+204 g/m3H2O)

圖10 為6%CO2、1500 ms 點火延遲時，不同濃度超細水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸初期v-r和r-t曲線。由圖可知：隨著超細水霧濃度的增大，瓦斯/煤塵爆炸初期火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小，超細水霧濃度越大，對火焰加速的抑制效果越明顯。相比0 g/m3的超細水霧，306 g/m3超細水霧的r-t曲線斜率明顯減小，即火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低，說明超細水霧質(zhì)量濃度越高對瓦斯/煤塵的抑爆效果越好。這是因為隨著超細水霧濃度增大，反應過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增加，產(chǎn)生的水蒸氣增多，降低了周圍的氧氣濃度，同時加速了煤塵沉降，避免過多煤塵參與爆炸反應，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著水霧濃度的增大而減小。

圖10 不同濃度的超細水霧作用下的v-r和r-t曲線（6%CO2+1500 ms）Fig.10 v-r and r-t curves under the action of different concentrations of ultra-fine water mist（6%CO2+1500 ms）

圖11 為6%CO2時不同水霧濃度下瓦斯/煤塵爆炸初期火焰平均速度隨點火延遲時間的變化曲線。由圖可知，平均火焰速度隨著點火延遲時間的延長和水霧濃度的增大而減小，這是因為隨著點火延遲時間增大，煤塵粒子表面吸附水霧增多，容易聚集成團，降低煤塵分散性，削弱湍流強度，反應強度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停怀毸F濃度增加，反應過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增加，產(chǎn)生的水蒸氣增多，進一步降低周圍的氧氣濃度，反應速率降低，導致瓦斯煤塵爆炸初期火焰平均速度減小。

圖11 不同濃度超細水霧作用下火焰平均速度隨點火延遲時間的變化曲線(6%CO2)Fig.11 Curve of flame average velocity changing with ignition delay time under the action of different concentrations of ultrafine water mist （6%CO2）

圖12 為204 g/m3超細水霧時不同CO2濃度下瓦斯/煤塵爆炸初期火焰平均速度隨點火延遲時間的變化曲線。由圖可知，204 g/m3細水霧單一抑制作用下，點火延遲時間由1000 ms 延長為2000 ms 時，火焰平均速度由0.80 m/s 降為0.74 m/s，平均火焰速度下降了7.5%，火焰速度變化不明顯。然而，CO2-細水霧共同作用下，火焰平均速度明顯下降。例如10%CO2-細水霧時，隨點火延遲時間的延長，火焰平均速度由0.32 m/s 降為0.20 m/s，平均火焰速度降低了37.5%。這是由于隨著CO2濃度增加，氧氣濃度降低，則爆炸初始階段參與反應的煤塵粒子減少，反應過程延緩；隨著點火延遲時間延長，煤粉表面吸附的水量增多，水霧對煤粉的冷卻作用和運動狀態(tài)的影響增強，大大降低了參與爆炸煤粉數(shù)量，為此爆炸反應被顯著抑制，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低。可見，在抑爆工程實踐中，可通過合理設(shè)置適當延長細水霧與煤塵的接觸時間，提高抑爆效果。

圖12 不同CO2濃度作用下火焰平均速度隨點火延遲時間的變化曲線(204 g/m3H2O)Fig.12 Curve of flame average velocity changing with ignition delay time under the action of different concentrations of ultrafine water mist （204 g/m3H2O）

2.3 復合火焰結(jié)構(gòu)

圖13 為6%CO2、204 g/m3超細水霧時不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸火焰紋影圖像。由圖可知，點火延遲時間為1000和1500 ms時，復合火焰為多層結(jié)構(gòu)，外層與氣體火焰類似，內(nèi)部為因煤粉燃燒形成的連續(xù)亮斑；隨著點火延遲時間的延長，瓦斯/煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ブ料嗤霃剿脮r間明顯增大，火焰亮度下降且亮度不均勻，這是因為煤塵與超細水霧接觸時間延長，聚集成團削弱了煤粉分散性，火焰湍流強度削弱，影響了煤塵參與爆炸反應。另外，相比于1000 ms，2000 ms 點火延遲時，火焰光點整體下移，這說明煤塵與水霧接觸時間延長導致煤塵沉降，可見合理設(shè)置抑爆系統(tǒng)，可在一定程度上影響煤塵顆粒的運動和熱解過程。

圖13 不同點火延遲時間下瓦斯/煤塵爆炸紋影圖像(6%CO2+204 g/m3H2O)Fig.13 Schlieren image of gas/coal dust explosion at different ignition delay time(6%CO2+204 g/m3H2O)

圖14 為點火延遲時間為1500 ms、6%CO2時，不同濃度超細水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸火焰紋影圖像。由圖可知，隨著超細水霧濃度的增大，瓦斯/煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ブ料嗤霃剿脮r間逐漸增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低，且火焰亮度逐漸變暗，火焰由連續(xù)的亮斑變?yōu)椴痪鶆蚪Y(jié)構(gòu)，火焰邊界模糊，說明隨著超細水霧吸熱蒸發(fā)的作用增強，爆炸反應過程被顯著抑制，降低了復合爆炸反應強度。

圖14 不同濃度超細水霧下瓦斯/煤塵爆炸紋影圖像（6%CO2+1500 ms）Fig.14 Schlieren image of gas/coal dust explosion under different concentrations of ultra-fine water mist（6%CO2+1500 ms）

圖15 為點火延遲時間為1500 ms 時，不同條件CO2和超細水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸火焰紋影圖像，由圖可知，純瓦斯/煤塵爆炸復合火焰最亮亮度最強，說明爆炸反應強度最強。通入6%CO2后，瓦斯點燃的時間延長了1.5 s，相比單純的瓦斯爆炸，傳播到相同半徑的時間都得到了延遲，火焰亮度也降低。通入204 g/m3超細水霧、6%CO2時，火焰亮度相對降低，火焰表面出現(xiàn)裂隙。通入10% CO2和204 g/m3超細水霧，出現(xiàn)明顯的火焰上浮現(xiàn)象，這是因為爆炸反應受到CO2和超細水霧的影響，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，則火焰受浮力的影響加強，出現(xiàn)明顯的火焰上浮現(xiàn)象，說明CO2和超細水霧聯(lián)合使用時隨著抑爆劑濃度的增加協(xié)同抑爆效果增強。

圖15 不同條件CO2和超細水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸紋影圖像(1500 ms)Fig.15 Schlieren image of gas/coal dust explosion under different conditions of CO2 and ultra-fine water mist（1500 ms）

2.4 爆炸流場分析

為了研究不同點火延遲時間和水霧濃度時瓦斯/煤塵爆炸流場特性，以煤粉作為示蹤粒子，運用高速粒子成像系統(tǒng)獲得了不同條件下瓦斯/煤塵爆炸原始圖、矢量圖和渦量圖。矢量圖可以表明爆炸容器內(nèi)煤塵粒子的運動方向和運動速度的大小，揭示瓦斯/煤塵爆炸過程中的煤塵粒子參與爆炸反應的運動過程。渦量圖可用來表示流場中旋渦強度和數(shù)量。結(jié)合矢量圖和渦量圖可以分析點火延遲時間和水霧濃度對CO2-超細水霧抑制瓦斯/煤塵爆炸復合火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊憽?/p>

2.4.1 不同點火延遲時間下爆炸流場分析 圖16為306 g/m3超細水霧時不同點火延遲時間的瓦斯/煤塵爆炸流場圖。點火階段電火花放電引燃瓦斯，瓦斯火焰引燃煤塵形成光點；火焰?zhèn)鞑ルA段由于煤塵燃燒復合火焰表面光點較多且不連續(xù)；火焰衰減階段由于大量煤塵燃燒，爆炸火焰為連續(xù)亮白色。由矢量圖和渦量圖可知，在點火和火焰發(fā)展階段，點火延遲時間為1000 ms 時，煤塵粒子多數(shù)處于球體中間，在火焰前沿周圍渦量分布較為均勻；然而當點火延遲時間增至2000 ms 時，煤塵粒子部分轉(zhuǎn)為向下運動，火焰內(nèi)部渦量相對較少。這是因為延長點火時間，則煤塵與水霧接觸時間延長，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中超細水霧吸附于煤塵表面，導致煤塵聚集成團，受到自身重力影響向下運動，因而參與反應的煤塵粒子減少，爆炸能量降低。

圖16 不同點火延遲時間下瓦斯/煤塵爆炸流場圖(0%CO2+306 g/m3H2O)Fig.16 Flow field diagram of gas/coal dust explosion at different ignition delay time (0%CO2+306 g/m3H2O)

2.4.2 不同水霧濃度作用下爆炸流場分析 圖17為1500 ms 點火延遲、10%CO2和不同超細水霧作用時的瓦斯/煤塵爆炸流場圖。通入超細水霧后，在點火階段，由矢量圖和渦量圖可知，煤塵粒子向左側(cè)和下側(cè)運動的數(shù)量增多，火焰內(nèi)部渦量相對減少?；鹧?zhèn)鞑ルA段，煤塵粒子運動方向發(fā)生變化，逐漸形成多數(shù)向上運動方向，且火焰內(nèi)部的大渦量旋渦面積相對減少即煤塵粒子燃燒受到抑制。隨著水霧濃度增大，煤塵粒子的運動方向由向心運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。這是因為通入超細水霧之后，水霧吸熱蒸發(fā)降低爆炸的反應能量，部分煤塵顆粒因熱量不足未能被引燃，造成初期階段爆炸強度降低。隨著爆炸反應進行，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣降低周圍氧氣濃度，進一步抑制了火焰表面的熱量和能量交換，隨著水霧濃度增加，對瓦斯煤塵爆炸反應抑制效果增強。

圖17 不同濃度超細水霧下瓦斯/煤塵爆炸流場圖（10%CO2+1500 ms）Fig.17 Flow field diagram of gas/coal dust explosion under different concentrations of ultra-fine water mist（10%CO2+1500 ms）

3 結(jié) 論

（1）延長點火延遲時間和增加超細水霧濃度，瓦斯/煤塵爆炸最大爆炸壓力、最大壓力上升速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小，最大爆炸壓力來臨時間、最大壓力上升速率來臨時間逐漸延長。

（2）隨著點火延遲時間的延長，復合火焰出現(xiàn)下沉；隨著水霧濃度增大，火焰亮度逐漸降低。

（3）CO2和超細水霧的加入使部分煤塵粒子的運動方向發(fā)生改變，且減少了火焰表面的渦量分布，大渦量旋渦面積相對減少且多分布于火焰內(nèi)部。說明CO2-超細水霧協(xié)同作用下參與燃燒的煤塵粒子數(shù)量減少，火焰表面能量交換速率降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，削弱了壓力波與火焰波的耦合作用，降低了瓦斯/煤塵爆炸強度。

（4）探討了點火延遲時間和水霧濃度影響CO2-超細水霧抑制瓦斯/煤塵爆炸的原因。因為煤塵為多孔結(jié)構(gòu)且表面粗糙，超細水霧容易吸附于煤塵表面，延長點火延遲時間增加了超細水霧與煤塵的接觸時間，煤塵粒子濕潤度增加則容易聚集成團降低煤塵分散度，削弱復合爆炸的湍流效應，因此延長點火延遲時間可以有效地抑制瓦斯/煤塵混合爆炸。水霧濃度增加則增強了降溫效果，蒸發(fā)的水蒸氣稀釋火焰周圍的氧氣濃度，進一步削弱反應強度，導致壓力峰值來臨時間和最大壓升速率來臨時間延遲，抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>