立體障礙物對(duì)瓦斯火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響研究

摘要：為研究立體障礙物對(duì)管道瓦斯燃燒特性影響，改變阻塞比（0%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%），通過(guò)高速攝影和壓力傳感器記錄管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和火焰峰面壓力-時(shí)程曲線，探究不同阻塞比管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律。研究結(jié)果表明，管道火焰?zhèn)鞑ニ俣群弯h面超壓整體上隨著傳播距離增加而增大；火焰?zhèn)鞑ニ俣群弯h面壓力均隨著阻塞比增加先增大再減少。

關(guān)鍵詞：立體障礙物；阻塞比；火焰?zhèn)鞑ニ俣?；火焰鋒面壓力

引言

煤炭是我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主要組成部分，然而煤礦安全生產(chǎn)是能源安全生產(chǎn)面臨的主要問(wèn)題[1，2]。我國(guó)90%以上煤炭生產(chǎn)均為井工開(kāi)采，巷道截面積發(fā)生突變都可被視為障礙物，如巷道支護(hù)設(shè)施、通風(fēng)設(shè)備及鋪設(shè)的各種管道等。煤礦瓦斯爆炸是最嚴(yán)重的事故之一，經(jīng)常存在障礙物巷道中，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3，4]。因此，研究火焰與障礙物的相互作用對(duì)于預(yù)防瓦斯爆炸事故以及降低災(zāi)害造成的損失具有重要意義。管道障礙物對(duì)瓦斯火焰結(jié)構(gòu)、傳播速度、鋒面超壓等燃爆特性影響開(kāi)展了大量的研究[5，6]。王成[7]研究了障礙物形狀對(duì)瓦斯火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程影響，結(jié)果表明：體積分?jǐn)?shù)10%的瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，四孔圓環(huán)和擋板形障礙物下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?。王公忠[8]揭示置障條件下預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程火焰結(jié)構(gòu)變化及失穩(wěn)原因，其是由障礙物引發(fā)的Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定現(xiàn)象耦合作用所致。程方明發(fā)現(xiàn)，相比無(wú)障礙管道，內(nèi)設(shè)多孔障礙物會(huì)加劇管道火焰鋒面褶皺變形，增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?，而且障礙物距離點(diǎn)火端越遠(yuǎn)，對(duì)于火焰?zhèn)鞑ビ绊懺斤@著。Masri[9]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)正方形、三角形和圓形障礙物中，正方形障礙物對(duì)火焰加速效果最好，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著阻塞比增加而增大。蔚存娟[10]改變障礙物間距，表明瓦斯火焰壓力和傳播速度隨著障礙物間距增大而遞增，其中障礙物間距對(duì)于火焰壓力影響要更小。為探究立體障礙物阻塞比對(duì)于管道瓦斯燃燒火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀疚耐ㄟ^(guò)搭建的管道瓦斯燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改變阻塞比，研究其對(duì)管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣群弯h面壓力的影響，對(duì)預(yù)防煤礦瓦斯爆炸事故具有一定指導(dǎo)作用。

一、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由方形管道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝像和數(shù)據(jù)采集儀等組成，裝置示意圖如圖1所示。管道（長(zhǎng)度4m、方形截面尺寸120mm×120mm）由2個(gè)0.5m和3個(gè)1m的鋼化玻璃管道組成。立體障礙物為厚度2cm的鋼化玻璃法蘭盤(pán)，開(kāi)孔位于管道中心，設(shè)置的阻塞比分別為0%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%（見(jiàn)表1）。障礙物距離點(diǎn)火端1.5m，壓力傳感器間距為40cm。實(shí)驗(yàn)管道采用封閉端點(diǎn)火，另一端開(kāi)口。瓦斯?jié)舛?0%，點(diǎn)火能量10J。

不同阻塞比的立體障礙物尺寸如表1所示，阻塞比計(jì)算公式為：

BR=（S1-S2）/S1（1）

式中，BR為阻塞比，S1為管道截面面積，S2為開(kāi)孔面積。

二、結(jié)果與分析

（一）火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

采用高速攝影觀察管道火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，得到不同阻塞比障礙物管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，如圖2所示。

由圖2可知，管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著傳播距離增加而增大；火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著障礙物阻塞比增加先增大再減小，而且阻塞比60%的管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>

對(duì)于無(wú)障礙物管道，電火花點(diǎn)燃瓦斯時(shí)近似層流燃燒，火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，然而釋放熱量大于散失熱量，?huì)使管內(nèi)未燃瓦斯溫度升高，加快燃燒反應(yīng)速度、釋放出更多能量。隨著傳播距離增加，擾動(dòng)瓦斯從層流變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，增加火焰鋒面褶皺變形和與未燃瓦斯接觸面積，提高燃燒反應(yīng)速度，使得火焰鋒面褶皺變形繼續(xù)增大，增加物質(zhì)與熱能交換速率，瓦斯湍流程度進(jìn)一步加劇，這種正反饋?zhàn)饔檬沟猛咚够鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣炔粩嘣龃蟆?/p>

對(duì)于設(shè)有障礙物管道，距離起爆端1.2m處瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鏊僮冃?。然而，通過(guò)障礙物后瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣扔盅杆僭龃?。距離起爆端1.5m處設(shè)有障礙物，未燃瓦斯穿過(guò)障礙物時(shí)的反射抑制作用，尤其對(duì)于阻塞比大的障礙物，使得瓦斯氣體流速和燃燒速度減慢，靠近障礙物的瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鏊僮冃。踔两档汀?/p>

相比無(wú)障礙物管道，立體障礙物對(duì)于瓦斯氣體和燃燒火焰穿過(guò)時(shí)具有誘導(dǎo)、激勵(lì)作用，加劇湍流程度，使得火焰鋒面褶皺變形增加，管道相同位置的火焰?zhèn)鞑ニ俣染胁煌潭仍龃?。阻塞比小障礙物對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)有限，湍流程度不明顯。隨著障礙物阻塞比增加，障礙物后面瓦斯氣體湍流加劇，瓦斯燃燒反應(yīng)速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印．?dāng)障礙物阻塞比（大于60%）截面尺寸較大，未燃瓦斯和燃燒火焰穿過(guò)時(shí)抑制作用增強(qiáng)，而且管道長(zhǎng)度有限，阻塞比超過(guò)60%時(shí)瓦斯火焰?zhèn)鞑プ畲笏俣瘸霈F(xiàn)下降，但是火焰?zhèn)鞑ニ俣热员葻o(wú)障礙物管道要快。

（二）火焰鋒面超壓

采用壓力傳感器測(cè)得火焰壓力-時(shí)程曲線，得到不同阻塞比障礙物管道火焰鋒面超壓，如圖3所示。

由圖3可知，火焰峰面超壓隨著傳播距離增加先增大再減小，火焰?zhèn)髦?.6m時(shí)的鋒面超壓開(kāi)始下降；瓦斯火焰鋒面超壓隨著阻塞比增加先增大再下降，阻塞比70%管道瓦斯火焰峰面超壓最大。

管道瓦斯燃燒火焰向前傳播時(shí)，未燃瓦斯氣體受到壓縮形成前驅(qū)壓力波。當(dāng)前驅(qū)壓力波傳至立體障礙物時(shí)，由于障礙物阻隔作用，使得附近形成很高壓力梯度，產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流與擾動(dòng)，形成較高的局部壓力。穿越立體障礙物后，由于未燃瓦斯氣體和燃燒火焰之間的正反饋?zhàn)饔?，加快燃燒反?yīng)速度，釋放出大量能量和氣體產(chǎn)物，導(dǎo)致立體障礙物增大管道瓦斯燃爆威力。

火焰?zhèn)髦?.6m時(shí)的鋒面超壓開(kāi)始降低，是由管口瓦斯?jié)舛认陆狄约跋∈璨ㄓ绊懰?。前?qū)壓力波先于火焰鋒面到達(dá)管口，部分瓦斯沖出管口，同時(shí)外部空氣進(jìn)入管口，使得瓦斯?jié)舛认陆?。管口瓦斯燃燒反?yīng)速度和釋放能量減少，加之管口空氣稀疏波影響，導(dǎo)致管口瓦斯火焰鋒面超壓出現(xiàn)下降。

瓦斯火焰鋒面超壓隨著障礙物阻塞比增加先增大再降低。隨著障礙物阻塞比增加，未燃瓦斯受到擾動(dòng)增大，增加了火焰鋒面與瓦斯接觸面積，加快燃燒反應(yīng)速度和熱量釋放，形成的瓦斯火焰鋒面超壓也相應(yīng)增加。同時(shí)，火焰鋒面前未燃瓦斯受壓縮產(chǎn)生的前驅(qū)壓力波也會(huì)增加。當(dāng)阻塞比超過(guò)70%時(shí)，由于障礙物的面積較大，對(duì)于未燃瓦斯流動(dòng)和火焰?zhèn)鞑ブ饕鸬阶璧K作用，導(dǎo)致穿過(guò)障礙物瓦斯減少，而且管道長(zhǎng)度有限，所以管道瓦斯火焰鋒面超壓開(kāi)始下降。

結(jié)語(yǔ)

在長(zhǎng)度4m的鋼化玻璃管道中，采用高速攝影和壓力傳感器研究了障礙物阻塞比對(duì)管道瓦斯燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣群弯h面超壓的影響，得出如下結(jié)論：瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著傳播距離增加而增大，火焰鋒面超壓隨著傳播距離增加先增大再減??；瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著阻塞比增加先增大再減小，障礙物阻塞比60%的管道瓦斯火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?；瓦斯鋒面超壓隨著阻塞比增加先增大再減小，障礙物阻塞比70%的管道瓦斯鋒面超壓最大。

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作者簡(jiǎn)介：李雪交（1986- ），男，漢族，安徽淮南人，博士，副教授，研究方向：爆炸安全。

基金項(xiàng)目：煤炭安全精準(zhǔn)開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心開(kāi)放基金《濃度瓦斯防回/脫火安全穩(wěn)定燃燒及防爆技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：EC2023024）。