密闭空间内障碍物对瓦斯爆炸传播影响研究*

韩 蓉,刘 剑,高 科，赖鑫琼

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；2.辽宁工程技术大学 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105)

0 引言

密闭空间内爆炸所产生的冲击波在壁面上来回反射，相互叠加，促使超压峰值增大[1]，而障碍物的存在同样会对火焰传播速度及爆炸压力产生极大的影响[2]，一旦发生爆炸，将会对人员安全造成极大的威胁。

近年来，国内外众多学者对密闭环境以及可燃气体在放置障碍物的条件下其火焰传播速度及爆炸压力的变化规律进行了大量研究。朱传杰等[3]研究了爆炸波在封闭型系统的冲击和振荡特征及其特征参数变化规律；陈东梁等[4]利用高速纹影摄像技术记录了密闭管道中不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰传播特征；候红霄等[5]应用计算流体动力学软件AutoReaGas研究了小环境的密闭空间内初始压力对预混合可燃性的影响规律；徐景德、杨庚宇[6]对瓦斯爆炸传播过程中障碍物的激励效应的物理机制进行了分析；Cieearelli[7]，尉存娟[8]等研究了改变障碍物的间距对火焰传播速度和爆炸压力的影响情况；Johansen[9]，朱建华[10]研究了障碍物的阻塞比对火焰传播速度的影响；秦涧[11]，王成[12]，Ibrahim[13]等对不同形状的障碍物对瓦斯爆炸的影响进行了研究；袁宏甦[14]，杨春丽[15]研究了障碍物的数量对瓦斯爆炸冲击波压力的影响。

虽然专家学者大量研究了密闭空间以及障碍物对瓦斯爆炸的影响规律，但对密闭空间内障碍物排列方式对火焰及冲击波传播规律的影响尚需进一步研究。煤矿采空区是由大块度岩石组成，岩块自由堆积，形成大的孔隙和空洞错综连接，由于采空区的复杂性，无法建立相对应的模型。现将这些岩石简化为障碍物，通过数值模拟的方法，研究理想状态下采空区内障碍物的不同直径及排列方式对火焰及冲击波传播规律的影响。

1 密闭空间内瓦斯爆炸数值模型

1.1 数学模型

对密闭空间内瓦斯/空气预混气体爆炸过程合理简化，采用的数学模型中基本方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程、湍流动能方程和湍流动能耗散率方程，分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρ为理想气体密度；u为速度；p为压力；T为温度；N为组分数；Yi为组分i的质量分数；Mi为组分i的分子量；τij为粘性应变张量；Fj为体积力；h为焓值；Qj为热流量矢量；Sr为辐射热损失(瓦斯爆炸过程中Sr=0，即忽略辐射热损失)；Se为放热率；Gk是由层流速度梯度所产生的湍流动能；YM是由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动；C1，C2是常量；αk和αε是湍流动能方程和湍流动能耗散率方程的湍流Prandtl数；Rε为湍流动能耗散率方程的修正项。

1.2 瓦斯爆炸燃烧模型

燃烧模型采用两步反应模型，反应1、反应2分别为：

CH4+O2→CO+H2O+Q1

CO+O2→CO2+Q2

1.3 几何模型

方形狭长密闭空间的结构可以简化为图1～2所示的几何模型，模型采用长度为30 m的光滑密闭方管，壁厚0.05 m，方管截面为0.5 m×0.5 m。模型内均匀填充球体模拟障碍物，球心之间间隔为0.2 m。点火位置在左侧壁面中心处，密闭方管内充满9.5%浓度的瓦斯气体，点火前混合气体的温度为20℃，压力为100 KPa。

为了测得瓦斯爆炸过程中火焰传播速度及冲击波的变化规律，主要对以下3种方案进行数值模拟研究。第1种方案：无填充的密闭方管；第2种方案：填充有球体障碍物的密闭方管模型，球体障碍物同位排列，其中模型内球体障碍物的直径分别为0.1，0.07，0.04，0.02 m，如图1所示；第3种方案：选取直径为0.07 m的球体障碍物作为研究对象，球体障碍物错位排列，与球体直径为0.07 m的同位排列情况进行对比，如图2所示。

2 密闭方管模型内火焰的传播规律

为了研究密闭方管模型内火焰的传播规律，分别对有无球体障碍物、球体障碍物不同的排列方式以及不同直径3种情况数值模拟，以进行对比分析研究。

图3为无填充的密闭方管模型内火焰的传播，火焰阵面比较光滑，呈椭圆形，与混合气体接触面积较小，火焰温度较低。图4为球体障碍物规则排列的密闭方管模型，与无填充的密闭方管模型相比火焰发生明显变化。火焰阵面由于球体障碍物的拉伸，由椭圆形变化至锯齿形，沿球体障碍物的间隙依次向后传播。图5为球体障碍物错位排列的密闭方管模型，可以看出火焰两边缘贴近上下壁面的部分温度升高较快，中心部分温度上升相对较慢，火焰中心向后凹陷，火焰阵面被球体障碍物分割成多个“V”字型。

图1 同位排列的模型平面示意Fig.1 Alignment of spheres

图2 错位排列的模型平面示意Fig.2 Interval alignment of spheres

图3 无填充的密闭方管内火焰传播Fig.3 Flame propagation in enclosed square tube

图4 同位排列的密闭方管内火焰传播Fig.4 Flame propagation in enclosed square tube with alignment of spheres

图5 错位排列的密闭方管内火焰传播Fig.5 Flame propagation in enclosed square tube with interval alignment of spheres

图6为球体直径0.07 m时火焰传播的速度情况。可以看出当密闭方管内有球体障碍物时，火焰传播速度明显高于无填充的密闭方管内火焰的传播速度。在密闭方管模型中，球体障碍物使火焰湍流强度加大，气体流速增大，燃烧速度也增大，而较高的燃烧速度使湍流强度继续加大，形成气体流动与火焰燃烧传播之间的正反馈。在这种正反馈机制下，瓦斯爆炸的反应速度与能量释放速度共同增加，促使火焰的传播速度继续加快。由此可见，球体障碍物对瓦斯爆炸的火焰传播起激励作用。

图6 模型内火焰的传播速度Fig.6 Flame propagation speed in the models

分别选取球体障碍物直径为0.1，0.07，0.04，0.02 m的同位排列情况，在距离点火源2.1，4.1，6.1，8.1，10.1，12.1，14.1，16.1，18.1，20.1，22.1，24.1，26.1，28.1 m处进行数值模拟，同时选取无填充的密闭方管进行对照分析，如图7所示。

图7 模型内火焰传播速度Fig.7 Flame propagation speed in the models

图8 10 m处不同直径最大火焰传播速度Fig.8 Maximum flame propagation speed at 10 m with different diameters

由图7可以看出在无填充的密闭方管内，火焰传播比较平稳且缓慢，传播至方管前部时火焰速度达到峰值，之后传播速率逐渐减小。当模型内有球体障碍物时，火焰的传播速度发生明显增大现象。在火焰传播初始阶段，随着球体直径的增大，火焰的传播速度呈先增后减的变化规律。图8是在距点火源10 m处火焰的传播速度情况，可以看出，在球体直径为0.07 m时，火焰的传播速度最大。球体障碍物直径的增加，使变形的火焰阵面在一个较大表面上消耗燃料和氧气，导致热释放速率的增加，火焰的传播速度也逐渐增加；当球体障碍物直径继续增大时，球体障碍物之间的空间变小，火焰没有受到充分扰动就遇到下一列球体障碍物使火焰加速距离变小，加速时间也变短，不利于火焰的传播，火焰传播速度将会下降。可见，不同直径的球体障碍物对速度的激励效应也存在差异。

3 密闭方管模型内冲击波的变化规律

由图6可知，球体障碍物对火焰的传播有激励效应，因此密闭方管内压力也会存在一定的变化。选取球体直径0.07 m为研究对象，在距离点火源1.1，5.1，9.1，13.1，17.1，21.1，25.1和29.1 m处进行压力的变化研究。

在无填充的密闭方管中，点火初期时压力变化较小，呈缓慢上升状态。随着燃烧的进行，管内产生的热量增加，压力逐渐提高，呈震荡特征，传播约1.1 s时压力达到最大值0.58 MPa，如图9所示。如图10和图11所示，在2种排列方式的密闭方管模型内，压力均快速升高，且最大值均大于1 MPa。在同位排列的模型中，约0.2 s时压力达到最大值1.03 MPa，约为无填充的密闭方管内最大压力的2倍。而在错位排列的模型中，0.11 s时压力即达到最大值1.47 MPa，约为无填充的密闭方管内最大压力的2.5倍。图12为模塑压力变化速率曲线，通过图12可以看出，无填充的密闭方管内压力上升速率并不明显，其上升速率的最大值不超过0.7 MPa/s。在密闭方管模型内，压力上升速率增大，火焰传播至方管末端时，压力上升速率达到最大值；同位排列的密闭方管内，方管前部压力上升平稳，随着火焰的传播，压力上升速率加快，其最大值约为无填充光滑密闭方管的60倍；在错位排列的密闭方管中压力的上升速率更快，其最大值近似408 MPa/s，约为无填充密闭方管的600倍。

图9 无填充的密闭方管内压力变化Fig.9 The pressure change inenclosed square tube

图10 同位排列模型内压力变化Fig.10 The pressure change in alignment model

图11 错位排列模型中压力变化Fig.11 The pressure change in interval alignment model

图12 模型内压力变化速率Fig.12 The rate of pressure change in models

在密闭方管模型中，随着火焰的推移，已燃气体温度升高，气体膨胀推动未燃气体向前传播，形成前驱压力波。当火焰遇到球体障碍物时，触发压力波发生扰动，使火焰前方未燃气体的湍流强度加大，引起方管模型内化学反应速率和热释放速率的加剧，使得方管内温度继续升高，冲击波压力也相应增强。与同位排列的模型相比，错位排列的模型中，火焰阵面被球体连续剪切，所引起的气流湍流程度更大，湍流再次加速火焰传播，增强气体爆炸过程的正反馈，使得压力上升速率更快，约为同位排列的100倍。

4 结论

1)球体障碍物对火焰传播存在激励作用。密闭方管模型内火焰的传播速度远大于无填充的密闭方管内火焰传播速度。在火焰传播的初始阶段，无填充的密闭方管内火焰传播平稳且缓慢；在同位排列的密闭方管内，随着球体障碍物直径的减小，初始阶段的火焰传播速度呈先增后减的变化规律，当球体直径为0.07 m时火焰传播速度达到最大值。

2)球体障碍物对冲击波具有重要影响。在无填充的密闭方管中，压力上升缓慢且呈震荡变化，最大值约为0.58 MPa；在密闭方管模型内，压力快速上升，其最大值均大于1 MPa。

3)无填充的密闭方管中，压力上升速率不超过0.7 MPa/s；同位排列的密闭方管中，压力上升速率约为无填充的密闭方管的60倍；而错位排列的密闭方管中，压力上升速率可达到408 MPa/s，约为同位排列的100倍。