變阻障礙物對(duì)管道內(nèi)瓦斯爆炸的影響

馬恒 郝中盟 高科

[摘要]為探究障礙物阻塞比變化率對(duì)瓦斯爆炸的影響，分別建立平均阻塞比為0.6、0.3的受限空間物理模型，基于Charlette湍流燃燒模型，利用Fluent軟件對(duì)阻塞比變化率依次為0、0.05、0.10、0.15的障礙物條件下的爆炸火焰、湍流轉(zhuǎn)捩、壓力波耦合過(guò)程進(jìn)行大渦模擬（LES）。研究結(jié)果表明：火焰經(jīng)過(guò)障礙物會(huì)產(chǎn)生回流卷吸效應(yīng)。在平均阻塞比為0.6的工況組A中，當(dāng)阻塞比變化率為0.10、0.15時(shí)，火焰鋒面更加尖銳，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯蹈撸骄鶄鞑ニ俣雀?，到達(dá)超壓所需時(shí)間更短，超壓峰值更大。在平均阻塞比為0.3的工況組B中，各工況平均傳播速度相同，隨著阻塞比變化率的增大，到達(dá)超壓所需時(shí)間更長(zhǎng)，超壓峰值更大。

[關(guān)鍵詞]障礙物；阻塞比；阻塞比變化率；瓦斯爆炸；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋槐ǔ瑝?/p>

[分類號(hào)]X923

0引言

瓦斯爆炸作為化工、煤礦等工業(yè)生產(chǎn)中最嚴(yán)重的事故之一，時(shí)刻危害著工人的生命安全。在化工生產(chǎn)中，爆炸火焰在傳播途中會(huì)遇到各種類型的障礙物，例如閥門以及管道面積突然連續(xù)縮小的區(qū)域等；在煤礦生產(chǎn)中，巷道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、機(jī)電設(shè)備等都會(huì)形成障礙物群。在障礙物的影響下，火焰的結(jié)構(gòu)和傳播速度、爆炸超壓以及流場(chǎng)都會(huì)受到影響而發(fā)生變化，增加爆炸帶來(lái)的損傷程度。因此，從安全角度考慮，深入研究障礙物對(duì)瓦斯爆炸的激勵(lì)效應(yīng)有重要意義。

目前，學(xué)者們?cè)谡系K物形態(tài)、性質(zhì)、阻塞比等對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懛矫嬲归_了廣泛研究。溫小萍等搭建了瓦斯湍流爆燃試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)研究障礙物條件下瓦斯爆炸的火焰結(jié)構(gòu)和瞬時(shí)超壓變化，理論分析了爆炸火焰與壓力波耦合的規(guī)律：孟亦飛等建立大尺度通風(fēng)管網(wǎng)模型，利用數(shù)值模擬方法探究了二次瓦斯爆炸中沖擊波與高溫氣流的復(fù)合作用；Gao等、喬征龍等利用數(shù)值模擬方法研究了柔性障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響，研究發(fā)現(xiàn)：柔性障礙物同剛性障礙物一樣，均能提高瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性，但強(qiáng)度有所減弱。為了能精準(zhǔn)捕捉火焰在傳播過(guò)程中的流動(dòng)情況，數(shù)值模擬中的大渦模擬（large eddy simulation，LES）方法能夠較好地模擬預(yù)混火焰的傳播特性；而對(duì)于燃燒研究，學(xué)者們多采用增厚火焰模型（thickened flame model，TFM），或使用C方程的Zimont模型。Charlette等提出了一種湍流燃燒模型，簡(jiǎn)稱Charlette火焰模型，通過(guò)直接數(shù)值模擬（direct numerical simulation，DNS）的方法與大渦模擬方法驗(yàn)證了此模型的準(zhǔn)確性；溫小萍等利用大渦模擬耦合Charlette火焰模型，將獲得的火焰結(jié)構(gòu)、傳播速度以及沖擊波超壓與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于Charlette火焰模型的大渦模擬數(shù)值方法在障礙物條件下對(duì)于瓦斯爆炸的適用性。