波纹板阻火器阻火特性的数值模拟研究

(四川大学制造科学与工程学院 四川 成都 610065)

引言

煤矿开采过程中会有瓦斯气体涌出，通常采用管道系统将瓦斯气体输送走。一定浓度的瓦斯气体在输送过程中，遇明火、静电等意外因素，会被引燃甚至产生爆炸，进而波及整个管道系统，造成重大事故和经济损失，为了阻断意外引燃的瓦斯火焰在输送管道内传播，需要在管道上安装阻火器。所以，对阻火器阻火进行深入研究对瓦斯爆炸事故的预防具有重要意义，也越来越成为煤矿安全领域的重要研究课题[1,2]。

迄今为止，国内外相关学者已对阻火器做了大量研究，例如，Cubbage[3]采用城市煤气-空气预混气体对波纹板阻火器进行阻火实验，结果表明当波纹板高度足够小、阻火单元厚度足够的情况下，火焰可发生淬熄现象。孙少辰等[4]采用自主研制的阻爆系统进行实验，分析了阻火芯厚度与爆轰火焰速度之间的关系。

虽然国内外专家学者对阻火器的研究取得了一定的进展，但已有的研究大部分采用的是现场实验的方法，而现场实验每做一次都需要较高的成本和较长的周期，不太适合直接用来研究波纹板阻火器的多参数变化对阻火效果的影响。近年来，随着多种仿真软件的推出，已能够通过仿真模拟来指导现场实验，以减省不必要的成本和时间的浪费。

基于上述原因，本文使用Fluent 15.0软件进行了阻火器的阻火仿真，分析了阻火器中波纹板孔隙率和孔隙长度的变化对火焰速度的影响规律，为阻火器的设计提供一定的参考。

一、仿真的建模和初始边界条件

(一)波纹板阻火器结构的仿真建模和瓦斯爆炸的仿真模型

本文选择长20m、直径500mm的管道进行研究，管道左端用封盖封闭，右端则用两层塑料薄膜封闭，在管长10m处安装阻火器。根据王晓东等[5]的研究，对于直径d=500mm的管道，当阻火器壳体扩张角α=30°、壳体内径D=1000mm时，对火焰的衰减效果最好，故本文选用这种规格的壳体，在里面装上波纹板，进行阻火仿真。

波纹板的结构如图1所示，其中，孔隙高度h和孔隙长度L是两个重要参数[7]，而波纹板的孔隙率φ可由孔隙高度通过计算得到。

图1 波纹板结构示意图

由于波纹板的孔尺寸细小且数量极多，直接对其进行三维建模较为麻烦，而且划分网格后网格数量更多，会导致计算量过大。为了减少计算量和运算时间，本文将管道-阻火器模型简化为二维模型，其中，波纹板用一块等厚度的均匀的多孔介质区域来代替，如图2所示。该多孔介质区域的孔隙率φ和波纹板的相同，其平均孔径dp可近似等同于波纹板的单孔孔高h，其粘性阻力系数和惯性阻力系数可由厄根公式计算得到。

图2 管道-阻火器二维模型示意图

1.高温点火点 2.波纹板(多孔介质区域) 3.阻火器壳体

鉴于瓦斯气体爆炸具有高湍流度、高反应速率的特点，以及综合考量计算精度和计算时间等因素，选用RNG k-e模型作为湍流模型[6]，处理燃烧爆炸中出现的湍流。燃烧过程视为单步反应，选用EBU-Arrhenius模型来描述燃烧爆炸过程中燃烧速率等的变化。

(二)仿真的初始边界条件

(1)管道左端、管壁和阻火器壳体都视为壁面，壁面设为标准状态下的无渗透、无滑移边界，且不和流体发生热交换，管道右端为泄压出口，波纹板视为一片均匀的多孔介质区域。

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(2)管内气体选用体积浓度为9.8%的甲烷-空气混合气体，经换算可得对应的甲烷质量分数为6.18%，氧气质量分数为24.7%。

(3)点火区域的初始条件：该区域在距离管道左端0.5m处，是个圆形区域，半径0.1m，温度2000k，超压1MPa，初速度0m/s。

(4)其他区域的初始条件：温度300k，超压0Pa，初速度0m/s。

二、仿真模拟与结果分析

(一)波纹板孔隙率对阻火速度的影响

设定波纹板的孔隙长度L=0.1m不变，分别对孔隙率φ为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8这五种情况进行阻火仿真。仿真中设置了温度监测窗口和火焰速度监测点：温度监测窗口可显示阻火器内的温度场分布，从而判断是否阻火成功；火焰速度监测点设置在波纹板前端面，可记录波纹板能成功阻住的最大火焰速度，即最大阻火速度v。通过大量的仿真，确定了波纹板最大阻火速度随孔隙率下的变化规律，将数据结果进行函数拟合，如图3所示。

图3 最大阻火速度与孔隙率的关联拟合曲线

不难发现，波纹板的孔隙率越大，其最大阻火速度就越小，且最大阻火速度和孔隙率之间符合指数函数关系，对应的拟合函数公式为：

v=-24.07004exp(4.44012φ)+2043.53639

(1)

(二)波纹板孔隙长度对阻火速度的影响

设定波纹板的孔隙率φ=0.6不变，分别对孔隙长度L为0.06m、0.08m、0.10m、0.12m和0.14m这五种情况进行阻火仿真，通过大量的仿真模拟来确定波纹板最大阻火速度v随孔隙长度的变化规律。为了更清晰地反映这一规律，将数据结果进行函数拟合，由王晓东[8]的理论研究可知，对于指定的波纹板的孔隙高度，L5和v呈正比例关系，而波纹板的孔隙高度指定，相当于孔隙率指定，故在此对L和v1/5进行线性拟合，如图4所示。

图4 最大阻火速度和孔隙长度的关联拟合曲线

由图可知，随着孔隙长度增加，波纹板的最大阻火速度增加，v1/5和孔隙长度之间的拟合函数公式为：

v1/5=3.565L+4.0915

(2)

相关系数R2=0.98647，趋近于1，故而该拟合函数与仿真数据的吻合度很高。

需在此说明的是，式(1)和式(2)只是根据若干组仿真的结果拟合出的经验公式，虽然拟合的吻合度较高，但是因为仿真本身存在诸多误差，所以在实际设计阻火器时，本文中的经验公式只作为参考，更多的安全因素还要不断通过现场试验来进一步确定。

三、结语

(1)本文对管道-阻火器装置进行了二维的简化建模，减小了仿真中的运算量。用Fluent软件进行了阻火器对瓦斯爆炸火焰的阻火仿真，为阻火器的研究提供了更多节省成本和时间的研究方法。

(2)通过仿真研究了阻火器中波纹板的孔隙率和孔隙长度的变化对最大阻火速度的影响，得到了在不同的孔隙率或孔隙长度下阻火器的最大阻火速度，并分别给出了具体的拟合函数，为阻火器的设计提供了一定的参考。