障碍物形态对瓦斯爆燃火焰传播影响研究

郭子如，方 琦，汪 泉，丁以斌

(1.安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽省应急管理科学研究院，安徽 合肥 230061)

煤矿井下瓦斯爆炸灾害频繁发生，2014年，瓦斯爆炸事故发生47起，导致266人死亡，是各类矿山事故中后果最为严重的[1，2]。瓦斯爆炸方面的研究一直是专家学者们关注的热点之一。解北京等[3]针对独头巷道实际情况在实验室建立了实验系统，实验研究了点火位置对独头巷道瓦斯爆炸火焰参数的影响，火焰向开口端传播速度是闭口端传播速度的20倍左右。许浪[4]研究了井下瓦斯爆炸冲击波衰减规律和对人员的安全距离，并统计分析了重特大瓦斯爆炸事故中瓦斯源、点火源、通风系统及爆炸地点的一般性规律。孙建华等[5]建立了煤矿巷道瓦斯爆炸超压预测模型，与实验测量值进行了比较，该模型可为矿井安全设施设计、事故灾害程度评估、安全设施审查提供理论依据。尹彬等[6]以定容反应器为模型，采用数值计算软件CHEMKIN模拟了瓦斯爆炸前后关键反应基元步及爆炸时间的变化。计算结果对比分析表明：关键反应步缓慢氧化阶段对瓦斯爆炸表现为抑制作用；加速氧化阶段对瓦斯爆炸表现较为复杂；激烈氧化阶段对瓦斯爆炸表现为促进作用。李晖[7]对瓦斯爆炸过程的障碍物激励作用进行了研究，实验和运用FLACS软件数值模拟结果表明，井下液压支柱和矿车的存在，增大了爆炸压力及火焰传播速度。早在1926年，Chapman[8]等就发现障碍物能加速管内火焰传播，此后，Moen I. O.[9]和 Ibrahim S S[10]研究了平面型、立体型障碍物形状和设置数量对火焰加速的影响。国内叶经方[11]对卧式燃烧方管内楔形障碍物与 CH4/空气预混火焰的相互作用进行了实验研究，得到了楔形障碍物所导致的火焰加速与变形的内在机理，揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转变的本质。余立新[12]等针对乙炔-空气混合物，研究了由于障碍物引起的火焰加速而导致的管内压力上升现象，发现障碍物的现状有很大的影响。

管道内瓦斯及其它可燃气体火焰传播是一个涉及气体流动、热交换和辐射的复杂过程。火焰的加速和传播影响因素主要有障碍物尺寸及数量、气体种类、管道材质等。对瓦斯爆炸现象的研究，大多借助于模拟巷道或实验管道进行。由于实验管道布设测点方便、实验成本相对较低，并可采用数字化电测和光测技术综合研究火焰传播过程，因此更多学者愿意在小型管道内深入研究瓦斯爆炸问题，以期对火焰加速有更为深入的理解。生产实践中会碰到很多立体的障碍物，比如柱形(如液压支柱，电缆等)、长方体形(如矿车)，因此本文设立四种典型立体障碍物、三种阻塞比共12种工况进行了实验研究，对比分析了障碍物形态对管内瓦斯爆燃火焰传播的影响程度。该研究对矿井瓦斯爆炸灾害的控制具有一定的实际意义。

1 实验系统

实验管道为自行设计的有机玻璃材质全透明火焰加速管道(1500mm×100mm×100mm)，点火端封闭，另一端弱封闭[13，14]。整个实验系统由配气装置、点火装置、光信号测试系统、压力信号测试系统及数据采集系统5个部分组成，如图1所示。

图1 实验系统示意图

1)配气装置。根据Dalton分压原理在专门的配气装置中粗略配置所需浓度的预混气，再用甲烷浓度测定仪测出其精确值为8.62%，文中瓦斯气体浓度均为此值。

2)点火装置。采用简易电容储能电火花点火装置，输出能量控制在250～500mJ，可调。其点火电极间距为1.5mm。

3)光信号测试系统。采用高速摄像结合光电传感器对火焰传播过程进行测试。高速摄影仪为FastCAM Super 10KC型，最大拍摄速率为10000f/s，实验拍摄速率为1000f/s；光电传感器由红外感光光电二极管制成，响应时间小于10-7s，测点布置在点火电极水平距离0，51mm，319mm，589mm，862mm，1130mm，1405mm处。

4)压力信号测试系统。采用CY-DY-203型压电式压力传感器测量火焰传播产生的压力。测点布置在光电传感器同一坐标位置，即距点火电极51mm，319mm，589mm，862mm，1130mm，1405mm处。

5)数据采集系统。压力传感器信号经YE5853A型电荷放大器放大后，由HIOKI8841数字存储记录仪采集记录，该记录仪具有16个独立通道，采样速率达106s-1；而光电传感器信号电压值较大，直接由记录仪采集。

实验选用同材质的平板、正三棱柱、长方体、圆柱体四种形态障碍物，每次实验放置一个障碍物，且与点火端相距190mm。各障碍物长度均为100mm，四种形态障碍物的放置方式如图2所示，其中a为20mm、40mm、60mm，即障碍物阻塞比为20%、40%、60%。

图2 四种形态障碍物的放置方式

2 实验结果与分析

2.1 火焰跨越障碍物的高速摄影照片

火焰跨越障碍物的时间段在40～60ms之间，不妨截取42ms、44ms、46ms、48ms、50ms、55ms、60ms时刻高速摄像照片将其等比例叠合成，如图3所示。分析图3可以看出，不同形态障碍物下火焰开始跨越障碍物的时间近似相同(在40ms左右)，说明障碍物形态对火焰传播初期影响程度较小，同样可从图4中的火焰速率曲线的前段看出。对于平板和正三棱柱而言，在障碍物前后分别形成两个方向相反的涡团，而正三棱柱由于两个外表面向上或向下倾斜，相当于两个导流面，气流受壁面粘滞作用很容易形成尺度较大的涡团，高速摄影照片显示其涡团轮廓清晰，这些较大尺度涡团的存在能增加湍流程度，加速火焰传播速率。相对而言，长方体和圆柱体形成的涡团尺度较小，对火焰加速影响相对较小。从图像还可以看出，火焰跨越不同形态障碍物经历的时间基本相同，只有当火焰经障碍物绕流后传播速率才会有一定程度的差异。

图3 火焰跨越障碍物过程的高速摄影图片(40%阻塞比)

2.2 障碍物形态对火焰传播速度的影响

不同形态障碍物对火焰传播速率的影响曲线如图4所示，分析图4可知，管内有障碍物存在时能显著增加火焰传播速率，但不同形态障碍物加速火焰传播的程度有所不同。在三种阻塞比下，均呈现出平板及正三棱柱障碍物加速火焰程度较大，长方体次之，而圆柱体较小。导致上述现象的原因：首先，由于障碍物对火焰面前方的气流有一定的阻碍作用，在火焰尚未传至障碍物时，就已在障碍物两侧形成很高的压力梯度，会使火焰运动经障碍物后得到一定的加速；其次，由于火焰面传至障碍物时，在障碍物表面形成高粘性边界层作用，使得火焰面扭曲变形，增加了有效燃烧面积，导致甲烷在单位时间内燃烧放出更多热量，促使管内压力升高，从而更快地推动火焰面向前运动。当然，不同形态障碍物所形成的表面高粘性边界层形状不同，使火焰扭曲程度也不一样。对于平板、正三棱柱其外表面曲率变化较大，长方体次之，圆柱体较小，而不同形态障碍物对火焰传播速率影响程度与曲率变化相对应。据此可以推测：对于同阻塞比下同材质障碍物来说，障碍物外表面曲率变化越大，其对火焰传播速率影响越大；障碍物表面越不规则，导致的气体流动湍流化程度越严重，对火焰的加速越明显。从图4还可看出，随着障碍物阻塞比的增加，火焰传播速率增加幅度增大，在60%阻塞比下，火焰传播速率增加逐渐呈线性趋势。

图4 不同形态障碍物对火焰传播速率的影响曲线

2.3 障碍物形态对火焰传播过程中超压的影响

不同形态障碍物对火焰传播过程中超压的影响曲线如图5所示，分析图5可知，在相同阻塞比下，障碍物形态对火焰传播过程中管内峰值压力的影响与对火焰传播速率的影响规律基本一致，表现为平板、正三棱柱障碍物影响较大，长方体次之，圆柱体较小。同时，测点峰值超压曲线呈现出“M”状，位于开口端的超压值下降明显，而峰值超压最大值出现在管道的中后端，说明管内甲烷燃烧存在一定的振荡性，从而导致压力的波动，而在开口端卸放作用下，将导致压力显著下降。从图5还可看出，有障碍物相对空管道管内峰值超压约增加一倍，在2.026×105Pa左右，但由障碍物形态或阻塞比不同而造成管内超压差异要小于相同条件下火焰传播速率之间的差异。

图5 不同形态障碍物对火焰传播过程中超压的影响曲线

3 结 论

1)不同形态障碍物对火焰传播影响程度不同，从火焰传播速度及超压数值来看，平板、正三棱柱影响较大，长方体次之，而圆柱体影响最小。

2)从实验结果分析得出：在相同阻塞比条件下，障碍物外表面曲率变化越大，其对火焰传播速度影响越大；障碍物表面越不规则，导致的气体流动湍流化程度越严重，对火焰的加速越明显。

3)障碍物存在对火焰传播初期影响较小，只有当火焰经障碍物绕流后传播速率才会有明显的增加，而障碍物形态不同对管内最大超压的影响差异不明显。