爆炸冲击波扬尘过程中的颗粒动力学特征

林柏泉,孙豫敏,朱传杰,江丙友,刘 谦,洪溢都

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

爆炸冲击波扬尘过程中的颗粒动力学特征

林柏泉1,2,孙豫敏1,2,朱传杰1,2,江丙友1,2,刘 谦1,2,洪溢都1,2

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

为研究爆炸扬尘过程中粉尘颗粒的运动特征,通过纹影仪以及高速摄像机,对粉尘的运动轨迹及其水平、纵向速度进行了分析。结果表明:粉尘颗粒的运动轨迹大体呈抛物线型,其上升过程中受到重力、气流曳引阻力等的作用,速度逐渐降低直至峰值高度,随后在重力作用下沉于管道底部;水平速度vx和纵向速度vy的发展趋势都可用指数函数描述;一定压力下,颗粒的初始位置对其轨迹有影响;冲击波前方的颗粒,受前方粉尘层的阻碍以及冲击波压力损失的影响,上扬过程较缓慢,最大扬尘高度减小,扬尘距离增大;此外,扬尘距离、vx和vy随压力的增大而增大,而最大扬尘高度减小。

瓦斯;爆炸;粉尘颗粒;扬尘

近年来,煤矿瓦斯爆炸以及火灾事故时有发生,造成大量人员伤亡和财产损失。特别是诱发煤尘参与爆炸后,破坏强度大大增加,危害极大。实际上粉尘爆炸所需的点火能量与瓦斯相比要大很多,很难独立引爆,往往是先发生瓦斯爆炸,爆炸冲击波诱导的流场运动卷吸巷道内的沉积煤尘,从而形成可燃粉尘云,在瓦斯爆炸产生的高温高压作用下发生爆炸。为此,国内外学者对爆炸扬尘的特征及基本规律进行了大量的研究。

最早关于扬尘的研究是在19世纪60年代,Gerrard[1]利用长4 m、截面15.2 mm×3.8 mm的激波管研究固体颗粒在冲击波作用下的扬起过程。Fletcher和Kauffman等[2-5]也进行了一系列的实验研究,获得了一些冲击波的扬尘过程。此外,Suzuki Tateuki等[6]通过研究发现粉尘的扬尘高度与颗粒大小存在密切关系。而Boiko等[7]通过研究发现扬尘的起因是颗粒间相互碰撞。岑可法等[8]专门针对粉尘颗粒进行了受力分析。也有一些学者在两相流以及扬尘过程方面进行了大量的数值模拟研究。Fedorov等[9-10]利用数值模拟对冲击波的扬尘过程进行了研究,对近壁面流的速度特征形成了一定认识。刘丹等[11]应用连续相、颗粒相计算方法对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸的传播过程进行数值模拟。宫广东等[12]在管道中进行煤尘瓦斯爆炸实验。朱传杰等[13]研究了沉积粉尘密度、波前流速、粉尘粒径等对扬尘特征的影响。龙天渝[14]在实验验证的基础上针对激波后粉尘起扬的过程进行了数值模拟,为进一步研究粉尘颗粒运动规律提供了依据。

然而,以往的研究都是基于扬尘机理方面的实验研究以及数值模拟,而针对煤尘运动轨迹以及运动速度的研究较少。本文在前人研究的理论基础上,运用纹影仪以及高速摄像机对粉尘的运动特征进行研究,以期对扬尘过程的理论研究提供参考。

1 单颗粒受力分析

单个煤尘颗粒的受力情况是影响扬尘轨迹以及扬尘效果的重要因素。单颗粒受到的作用力主要有重力、Saffman力、Magnus力、虚假质量力、黏附力、Basset力和升浮力等。其中,黏附力、升浮力、Basset力和虚假质量力与其他力相比较小,对粉尘轨迹的影响可忽略不计。除此之外,各煤尘颗粒之间相互碰撞也会使煤尘颗粒额外受力,空气阻力也会影响煤尘的运动。单颗粒的受力分析如图1所示。

图1 单颗粒受力分析Fig.1 Force analysis of a single dust particle

(1)重力。重力G始终作用在颗粒上,其主要作用是阻碍颗粒扬起。

式中,mp为颗粒质量;g为重力加速度;ρp为颗粒密度;Vp为颗粒体积。

(2)Saffman力。固体颗粒在有速度梯度的流场中运动时,两侧流速不同会导致颗粒产生一个作用力,该力由低速区指向高速区,即为Saffman力,其作用是将颗粒托起。由文献[13]可知Saffman力可表示为

式中,B为实验常数,此处取1;ρ1为气相密度;η为气相动力黏度;Rd为颗粒半径;v1为气相速度;v2为固相速度;∇为哈密顿算子。

(3)Magnus力。Magnus力是一个与流动方向垂直的、由逆流侧指向顺流侧方向的力,它是固体颗粒在气相中旋转时产生的。该力可以托起流场中的颗粒。由文献[13]可知Magnus力可表示为

式中,A为经验常数。

(4)相互碰撞。粒子之间存在着相互碰撞,这种运动会对颗粒产生一个附加加速度,是粉尘额外受力。本文采用文献[11]中所述的公式来计算粒子之间相互碰撞所产生的附加力Fcol。

式中,C为经验常数;d为颗粒直径;u2和v2分别为固相在x,y方向速度分量;ρ2为固相密度。

(5)空气阻力。也称气流曳引阻力,是指气固两相运动中,气体对固体颗粒的阻力。采用文献[8]中所述公式来计算。

式中,Ap为颗粒在垂直于气流流动方向上的投影;Cd为黏性阻力系数。

2 实验方法及仪器

2.1 实验设备及方法

由于实际爆炸过程中,火焰的存在使得视场较亮,很难捕捉单颗粒的运动轨迹,因此,以往类似的实验都是采用高压气体来模拟爆炸冲击波。本实验利用电磁阀来控制高压干空气,实现冲击效应,实测的模拟冲击波曲线如图2所示(以1.0 MPa为例)。

图2 利用瞬态高压气体模拟获得的冲击波(1.0 MPa)Fig.2 Shock wave obtained from high-pressure gas(1.0 MPa)

实验系统示意如图3所示。通过高压气体模拟爆炸冲击波将位于可视化窗口内的煤尘扬起,并通过纹影仪以及高速摄像机拍摄煤尘扬起的整个过程,并对煤尘颗粒的运动轨迹进行跟踪,分析并研究其运动特征。本文选取3种冲击波压力来模拟不同爆炸强度,分别为0.2,0.6和1.0 MPa。

图3 实验系统示意Fig.3 Schematic diagram of experiment apparatus

2.2 实验材料

由文献[13]可知,煤尘粒径较大时受重力的影响较大,扬尘效果不明显。煤尘粒径较小时,其在巷道空间能够较好的分散,扬尘效果较好。因此,为取得较好的扬尘效果,本文采用的中位径为57.01 μm的煤尘作为研究对象。利用BT-9300HT型激光粒度分布仪对所选煤尘进行粒径分析,其粒径分布及分散度如图4所示。煤尘的体积平均粒径为72.54 μm,面积平均粒径为14.12 μm,密度为1.4 g/cm3,遮光率为14.41%,比表面积为0.15 m2/g。从x= 12.0 cm(x为颗粒的水平坐标)开始铺设煤尘层,厚度为1 mm。

3 实验结果及分析

3.1 冲击波扬尘过程

在压力1.0 MPa下,利用高速摄像机及纹影仪拍下的扬尘过程(图5)。初始阶段,沉积煤尘前端在气流扰动,在Saffman力及Magnus力的作用下向空中抛洒,在重力的作用下逐渐减缓随后开始下降,沉积于后方煤尘层上形成“煤尘团簇”。该“煤尘团簇”较为疏松,其堆积密度较小,颗粒上、下两侧形成较大压差,Saffman力起主导作用,颗粒进一步向空中卷扬。在此过程中,沉积煤尘前段的煤尘不断被抛向右上方,与前方煤尘混合进一步卷扬。最后,煤尘全部被抛到空中。气流扰动逐渐减弱,重力起主导作用,煤尘颗粒逐渐沉积于管道底部。

图4 煤尘粒径分布曲线Fig.4 Particle size distribution curves

图5 扬尘过程示意Fig.5 Schematic diagram of dusting lifting process

3.2 颗粒运动轨迹及速度特征

3.2.1 单颗粒运动轨迹

图6为单颗粒的运动轨迹(1.0 MPa,x= 15.3 cm)。可知,颗粒先缓慢上升后明显下降,其运动轨迹大体呈抛物线型。整个运动过程中,最大扬尘高度为6.5 cm,扬尘距离为7.8 cm。在扬尘的初始阶段,沉积煤尘颗粒在气流作用下开始卷扬。由于其处于有速度梯度的流场之中,颗粒两侧的流速不同会产生Saffman力,另外,颗粒在流场之中旋转会产生Magnus力,在这两个力作用下,颗粒开始上升。在上升的过程中,由于气流扰动逐渐减弱以及重力、气流曳引阻力的作用,其速度逐渐降低,导致Saffman力和Magnus力越来越小。到达峰值高度时,二者的作用与重力持平。随后在重力的作用下,颗粒开始沉降,最后煤尘颗粒沉积于管道底部。

图6 单颗粒运动轨迹Fig.6 Pathway of a single particle

3.2.2 单颗粒运动速度分析

图7为图6中煤尘颗粒的速度变化曲线,vx,vy分别为颗粒的水平速度、纵向速度。可知,vx在扬尘初始时刻较大,随后一直减小,最后接近0,变化趋势呈指数函数关系。vy的发展趋势与vx类似,也可用指数函数描述。初始时刻其方向向上,速度较大,随着冲击波作用力的减小,重力发挥的作用逐渐显现,使得粒子运动呈沉降趋势,并沿重力方向加速。在76 ms时,粒子抛升高度达到最大,vy=0。随后其方向变为向下,速度值也逐渐增加直至颗粒沉积于管道底部。

图7 单颗粒运动速度Fig.7 Velocity of a single particle

3.3 不同位置处煤尘颗粒运动特征

实际冲击波扬尘过程中,由于冲击波压力在管道截面上分布的不均衡性、沉积煤尘颗粒间的碰撞挤压作用以及颗粒间物性参数的细微差异,都使得煤尘颗粒在被抛洒到空间内的运动轨迹和速度存在差异,这也是煤尘可以被相对均匀地抛洒到管道内的前提。图8为在1.0 MPa的压力下,初始位置x分别为12.7,13.3,13.6,13.9 cm的煤尘颗粒(颗粒1～4)的运动轨迹。可见,4个颗粒的最大扬尘高度分别为9.9,9.4,6.5和4.4 cm,颗粒运移距离分别为5.35, 6.32,7.76和9.05 cm。其运动轨迹趋势虽然都呈抛物线型,但存在较大差别:处于冲击波前方的粉尘颗粒,由于前方煤尘层的阻碍作用,冲击波压力存在损失,进而Saffman力变小,其上扬的过程较缓慢,最大扬尘高度也随之减小,但扬尘距离增大。

图8 不同位置煤尘颗粒的运动轨迹Fig.8 Pathway of particles at different positions

图9为图8中4个煤尘颗粒的速度变化情况。根据颗粒运动速度v与时间t的关系进行曲线拟合,即指数函数关系v=b+ce-at,式中b,c为拟合系数;a为速度衰减系数,其大小反映了煤尘颗粒速度衰减趋势的强弱。由图9可知,4个煤尘颗粒vy衰减系数a的值分别为52.521,31.948,16.456和15.962,其随着粉尘初始位置的后移而减小。通过分析发现vx也有类似的趋势。

此外,在整个扬尘的过程中,vx和vy都比较小,最高为6.7 m/s(x=12.7 cm处)。在扬尘初期(60 ms前),vx和vy较大,且其下降趋势较陡。由于冲击波是产生煤尘颗粒水平速度的主要因素,随着冲击波的衰减以及扬尘过程的发展(60～230 ms),二者的变化趋势变缓,并趋于0。与此同时,vy由于受重力的影响,在扬尘初期呈逐渐降低的趋势,降至0后又逐渐增大,并最终加速沉降到管道底部。

3.4 不同压力对煤尘轨迹的影响分析

图10为0.2,0.6和1.0 MPa压力下,初始位置x=12.0 cm处煤尘颗粒的运动轨迹。可知,随着冲击波压力的增大,扬尘距离变大,最大扬尘高度变小。这是由于冲击波沿管道水平方向传播,压力越高,波前气流在水平方向速度越大[15],因此,压力的增大会使粒子水平运移距离增大,同时会抑制颗粒在垂直方向上的抛升。

由前述可知,扬尘高度随着煤尘初始位置的后移而减小。由图10可知,1.0 MPa下x=12.0 cm处的煤尘最大扬起高度仅为6 cm,该高度即为煤尘层扬起的最大高度,其不足以使巷道底部的煤尘完全分散到空气中。如果实际巷道内部设备上存在积尘,则完全可能被抛洒到空气中,因此,其危害性相比巷道底部的沉积粉尘危害性更大。

图11为不同压力下粉尘颗粒运动速度变化情况以及vx和vy最大值随着冲击波压力的变化情况。变化趋势与前类似。对于vx,在0.2,0.6和1.0 MPa压力下,速度衰减系数a的值分别为31.153,38.911和56.818,呈逐渐增大趋势。3个压力下vy表达式中的系数a分别为42.735,47.619和55.556。此外,由图11(d)可知,0.2,0.6和1.0 MPa压力下水平最大速度分别为1.29,2.03,2.33 m/s,纵向最大速度分别为3.32,3.47,3.64 m/s。速度随着冲击波压力的增大而增大,该结果与文献[16]获得的速度变化趋势是一致的。

图9 粉尘颗粒速度Fig.9 Particle velocity

图10 不同压力下粉尘颗粒的运动轨迹Fig.10 Pathways of particles under different pressures

图11 不同压力下煤尘颗粒的运动速度Fig.11 Velocity of particles under different pressures

4 结 论

(1)颗粒运动轨迹大体呈抛物线型,vx和vy的发展趋势都可用指数函数描述。其上升过程中受到重力、气流曳引阻力等的作用,速度逐渐降低,直至峰值高度。随后,颗粒在重力的作用下沉降,最终沉积于管道底部。

(2)同一压力下,处于冲击波前方的颗粒,由于前方煤尘层的阻碍作用以及冲击波压力损失,上扬过程较缓慢,最大扬尘高度也随之减小,但扬尘距离增大。vx和vy都符合指数函数v=b+ce-at,且速度曲线随着a值的增大变陡。

(3)不同压力下,扬尘轨迹及速度变化曲线与前类似。随着冲击波压力增大,扬尘距离变大,最大扬尘高度变小。vx和vy随着冲击波压力的增大而增大。

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Dynamic parameters of dust lifting process behind shock waves

LIN Bai-quan1,2,SUN Yu-min1,2,ZHU Chuan-jie1,2,JIANG Bing-you1,2,LIU Qian1,2,HONG Yi-du1,2

(1.School of Safety Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to find out the movement characteristics of dust particles,a schlieren system and a high-speed camera were used to study the pathway of dust particles and its horizontal and vertical velocity.The results show that the pathway of dust particles has a parabola shape,which rises under the function of gravity and air-drag.The particle velocity decreases before it reaches its peak height during this process.Then the particle settled down at the bottom of pipes under gravity.The development trend of the horizontal velocity vx,and the vertical velocity vy,can be described as exponential function.The initial positions of particles have a certain influence on its pathway under different pressures.The rising process of particles is slower before shock wave in the front of dust layers due to the block of dust layers and pressure loss of shock waves.The height of dust lifting decreases with the increase of distance.In addition,the dust lifting distance,vxand vyincreased with the pressure,while the dust lifting heights decrease.

gas;explosion;dust particle;dust lifting

TD712;TD714

A

0253-9993(2014)12-2453-06

2013-12-30 责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51204174);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012QNB01)

林柏泉(1960—),男,福建龙岩人,教授,博士。Tel:0516-83590593,E-mail:lbq21405@126.com

林柏泉,孙豫敏,朱传杰,等.爆炸冲击波扬尘过程中的颗粒动力学特征[J].煤炭学报,2014,39(12):2453-2458.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1925

Lin Baiquan,Sun Yumin,Zhu Chuanjie,et al.Dynamic parameters of dust lifting process behind shock waves[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2453-2458.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1925