障碍物位置对瓦斯爆炸火焰传播影响的数值模拟

郗雪辰，张树海，苟瑞君，陈亚红

（中北大学 化工与环境学院，山西 太原030051）

0 引 言

矿井瓦斯爆炸是煤矿重大恶性事故之一，如何有效防止煤矿瓦斯爆炸事故的发生对煤矿安全生产具有十分重要的意义［1］．在煤矿巷道中，不可避免地有障碍物的存在，例如通风设备、机电设备、支护设备，以及各种管道等［2］．一旦发生瓦斯爆炸事故，受障碍物影响，火焰会失稳和加速，进而诱导激波甚至爆轰波［3］．

为了提高煤矿生产的安全性和尽可能减少事故造成的人身伤亡和经济损失，人们已经把障碍物对瓦斯爆炸的影响作为重要的研究课题之一．罗伟［4］等人研究了置障条件下火焰传播速度及其超压，结果表明障碍物存在时火焰的传播速度、超压提高．Dag．Bjerketvedt［5］等人研究了障碍物阻塞率及形状对超压和火焰速度的影响．Masri［6］等人通过高速摄像机观察发现方板障碍物会导致火焰快速失稳．Fairweather等［7］研究了环形障碍物对火焰传播的影响，发现障碍物周围存在强烈的火焰湍流．秦涧，谭迎新［8］等人研究了障碍物形状对瓦斯爆炸的影响，认为障碍物对瓦斯爆炸的规律存在显著影响，阻塞比相同时障碍物形状对爆压和火焰传播速度影响不大．余明高，纪文涛［9］等人利用实验手段研究了交错障碍物对瓦斯爆炸的影响，实验发现与平行障碍物相比，障碍物的交错放置对火焰形变、火焰速度以及爆炸压力具有更加显著的增强效果．

近年来，FLUENT 流体动力学软件以其经济、快速的特点，被广泛应用于各种工程实际问题的模拟，逐渐成为一种新兴研究手段［10］．本文利用FLUENT 数值模拟软件，模拟受限空间内，平行障碍物和连续交错障碍物对火焰形状的影响．

1 模型建立

1．1 控制方程及求解器选择

巷道瓦斯爆炸过程其本质是可燃气体的化学燃爆过程［11］，满足质量守恒、动量守恒、能量守恒方程和组分质量守恒方程．由于这4个控制方程是非线性的，且数值结果相互影响．因此，选择耦合求解器进行求解．

1．2 物理模型

基于文献［9］实验设备，建立500 mm×150mm二维受限空间模型．分别模拟2个障碍物和3个障碍物的平行及交错放置条件，研究图1中4种工况对火焰形状的影响．单个障碍物的尺寸为10mm×75mm，阻塞率为0．5，障碍物之间的距离为100mm．

图1 工况示意图Fig．1 Working condition schematic diagram

1．3 计算模型

瓦斯爆炸存在明显的热交换和能量传递，因此选择开启能量方程．

粘性模型选择Realizable k－epsilon（2eqn）模型．k－ε 双方程模型是目前粘性模拟中应用最广泛的模型．考虑到物理模型是受限空间，可能会有湍流发生不完全的情况发生，k－ε 标准模型有可能计算出数值负的正应力．因此选择Realizable模型修正这一问题；选择P1辐射模型模拟火焰的辐射传热；组分模型用于对化学组分的运输和燃烧等化学反应的模拟，此处选择组分运输模型，即有限速率模型，该模型在组分运输方程解的基础上，加入了化学反应．反应方程采用单步反应，

即：

1．4 边界条件及初始化

壁面边界选择无滑移剪切壁面，壁面粗糙度保持默认值0．5．由于软件数据库中没有有机玻璃材料，因此需要自定义壁面材料．在选取材料为玻璃的基础上，将密度更改为1 180kg／m3，导热系数更改为0．18 W／（m·K）．入口边界条件选择速度入口，空气入口速度为60 m／s，甲烷入口速度为6．3m／s．注入混合气体温度为300K．出口选择压力出口，压力为标准大气压．

流场初始化温度为300 K，氧气体积分数为0．23，为提高运算效率，加速收敛，松弛因子设为0．8．

2 模拟步骤

给流场注入甲烷空气混合气体，稳态求解计算，计算起点为压力入口．计算基本收敛后，流场甲烷浓度约为9．5%；关闭注入气体，即将入口速度调整为0．补充初始化流场底部中心点为起火点，即patch该点为1 300K 高温区，为保证正常点燃混合气体，仍然使用稳态计算．当CO2浓度发生变化时，说明气体已被点燃，暂停计算；甲烷燃烧问题为瞬态问题，故更换瞬态求解器求解．为保证流场中混合气体各处浓度均匀，且不受前步计算的影响，模拟补充初始化甲烷体积分数为0．095，开始计算，计算收敛后自动停止；模拟完成．

3 模拟结果及分析

3．1 10ms时的模拟结果

图2 为各工况从点火开始计时到10ms时刻的火焰形状．根据气体燃烧热理论，火焰分为预热区和化学反应区［12］．反应区外层温度大约在2 200K左右，而中心区域温度已经达到2 800～3 000K．从图2 中可以看出，在10 ms 时刻，4种工况下的火焰形状基本相同，火焰前锋较为光滑，呈自由发展状态，仅图2（b）和图2（c）的火焰出现微弱的拉伸现象．根据文献［13］分析，火焰阵面传播过程中具有极强的不稳定性，交错障碍物使流场结构更加复杂，流场的突变会引起化学反应的失衡，从而诱导湍流的发生，引起流体不稳定传播．因此可以看到，预热区（温度1 000K左右）开始发生拉伸变形，说明障碍物影响了火焰传播，且交错障碍物比平行障碍物对预热区的形变影响更为显著．

图2 10ms火焰形状图Fig．2 Flame shape at 10ms

3．2 20ms时的模拟结果

图3 为20ms时刻的火焰形状．障碍物对火焰有扰动作用，火焰前锋产生扭曲变形．交错障碍物的形变和拉伸程度更为明显．反应区前端开始越过第一个障碍物，呈现弯曲状，各工况均呈现出火焰锋面拉伸现象，且较10 ms时刻更为细长．预热区开始出现较为显著的湍流特征，对比图3（a）和图3（b）可以看到，障碍物的交错放置使湍流有明显的加强．由于障碍物同火焰传播的正反馈耦合［14］，障碍物附近会出现绕流区和剪切层．绕流引起前方火焰和后来火焰的堆积，产生湍流．剪切层增大火焰速度梯度，火焰表面迅速拉伸，越过障碍物后速度降低，火焰沿梯度场汇聚．交错障碍物提高了火焰绕流和剪切的频率，多次的伸长和折叠，导致图3（c）和图3（d）中更大的预热区面积．

图3 20ms火焰形状图Fig．3 Flame shape at 20ms

3．3 30ms时的模拟结果

图4 为30ms时刻的火焰形状．火焰开始经过第二个障碍物．对比图4（a）和图4（b）可以看出，交错障碍物条件下的火焰表现出非常明显的湍流特征，火焰传播也更加不稳定．火焰的褶皱变形促使其与未燃区域的接触面积增大，大大提高了混合气体的燃烧速率．对比图4（b）和图4（d）发现，两个障碍物条件下火焰更容易快速发展，且温度较高．根据参考文献［15］分析，障碍物提高了火焰湍流，火焰阵面发生伸长折叠．细长的火焰与未燃区接触面积快速增大，致使火焰发展过程中没有得到能量补充，加之壁面吸热，引起火焰衰减，甚至熄灭．

图4 30ms火焰形状图Fig．4 Flame shape at 30ms

3．4 40ms时的模拟结果

图5 为40ms时刻的火焰形状．火焰充满了整个计算域．点火点周围的温度处在2 600～2 800K之间，空间内其他区域温度在2 000K 左右．图5（d）与其他工况对比，发现整体温度偏低，出口位置温度提升不明显．分析认为，由于30ms时火焰扭曲变形严重，细长的火焰未能得到及时的能量补充，面积的增大又加快了能量的耗散，加之壁面传热，部分火焰在发展过程中熄灭．与未燃区接触面积的增大还加速了燃料和氧气的消耗，致使火焰发展的持续性下降，导致温度偏低．

图5 40ms火焰形状图Fig．5 Flame shape at 40ms

4 结 论

通过上述模拟，可以得出以下结论：

1）障碍物的数量对火焰传播有激励作用．障碍物数量越多，火焰传播速度越快．实际生产中应尽量避免放置过多的障碍物．

2）障碍物的交错放置加强火焰湍流，增大了火焰的形变，缩短了未燃区混合气体参与反应的时间．实际生产中应尽量壁面障碍物的交错放置．

3）连续交错放置的障碍物可能会引发熄火现象．交错障碍物之间的距离、障碍物阻塞率、点火能、壁面传热等，都可能是影响因素，其对熄火现象的影响需要进一步研究．

［1］林柏泉，桂晓宏．瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的模拟研究［J］．中国矿业大学学报，2002，31（1）：6－9．Lin Baiquan，Gui Xiaohong．Numerical simulation research on flame transmission in gas explosion［J］．Journal of China University of Mining ＆ Technology，2002，31（1）：6－9．（in Chinese）

［2］王海宾，尉存娟，谭迎新．水平管道内障碍物对气体爆炸压力影响的研究［J］．广州化工，2011，39（24）：43－46．Wang Haibin，Yu Cunjuan，Tan Yingxin．Effects of pressure of gas explosion in the pipeline of obstacles［J］．GuangZhou Chemical Industry，2011，39（24）：43－46．（in Chinese）

［3］应展烽，范宝春，陈志华，等．障碍物的形状和作用方式对火焰变形影响的实验研究［J］．空气动力学学报，2009，27（z1）：51－55．Ying Zhanfeng，Fan Baochun，Chen Zhihua，et al．The experimental research of effect of shape and action mode of obstacle on flame transmutation［J］．Acta Aerodynamica Sinica，2009，27（z1）：51－55．（in Chinese）

［4］罗伟，吴红波，王学兵，等．置障下火焰传播速度及其超压的实验研究［J］．火工品，2008（3）：40－43．Luo Wei，Wu Hongbo，Wang Xuebing，et al．Experimental study on the flame propagation speed and overpressure under obstacles［J］．Initiators ＆ Pyrotechnics，2008（3）：40－43．（in Chinese）

［5］Dag Bjerketvedt，Jan Raor Bakke，Kees Van Wingerden．Gas explosion handbook［J］．Journal of Hazardous Materials，1997（52）：1－150．

［6］Masri A R，Ibrahim S S，Nehzat N．Experimental investigation of flame／soild interactions in turbulent premixed combustion［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2001，24：99－106．

［7］Fairweather M，Hargrave G K，Ibrahim S S，et al．Studies of premixed flame propagation in explosion tubes［J］．Combustion and Flame，1996：504－518．

［8］秦涧，谭迎新，王志青，等．管道内障碍物形状对瓦斯爆炸影响的试验研究［J］．煤炭科学技术，2012，40（2）：60－62．Qin Jian，Tan Yingxin，Wang Zhiqing，et al．Experiment study on obstacle shape in pipeline affected to gas explosion［J］．Coal Science and Technology，2012，40（2）：60－62．（in Chinese）

［9］余明高，纪文涛，温小萍，等．交错障碍物对瓦斯爆炸影响的实验研究［J］．中国矿业大学学报，2013，42（3）：349－354．Yu Minggao，Ji Wentao，Wen Xiaoping，et al．Experi－mental study of the influence of staggered obstacles on gas explosion［J］．Journal of China University of Mining ＆ Technology，2013，42（3）：349－354．（in Chinese）

［10］王福军．计算流体动力学分析——CFD 软件原理与应用［M］．北京：清华大学出版社，2004．

［11］邓飞，刘后明，伍中建．障碍物对巷道瓦斯爆炸传播影响数值模拟研究［J］．中国矿山工程，2012，41（4）：35－36．Deng Fei，Liu Houming，Wu Zhongjian．Numerical simulation of the process of gas explosion propagation influenced by the obstacle in the roadway［J］．China Mine Engineering，2012，41（4）：35－36．（in Chinese）

［12］王伯羲，冯增国，杨荣杰．火药燃烧理论［M］．北京：北京理工大学出版社，1996．

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