密闭空间瓦斯爆炸数值模拟研究

罗振敏 ，吴 刚

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安710054；3.西部煤矿安全教育部工程研究中心，陕西 西安710054）

瓦斯爆炸是威胁煤矿安全生产的重要危险因素。根据煤矿安全事故统计分析，发现绝大多数事故是由于瓦斯爆炸引起，约占特别重大事故的70%左右[1]。近年来，国内外很多学者对不同工况下的气体爆炸特性及其传播规律进行了理论分析[2-9]、实验研究及数值模拟[10-11]。研究者们采用不同的实验装置和模拟软件研究了多种工况和环境对瓦斯爆炸的影响，但对于密闭环境条件下瓦斯爆炸的研究则较少。基于此，通过建立简单的长直密闭管道，通过分析爆炸压力、温度和火焰传播的变化，研究密闭空间内瓦斯爆炸的特性。

1 数学模型与数值方法

1.1 物理模型

简化的模拟巷道两端密闭，在x、y、z 轴方向上的长度为200、4、4 m，巷道模型如图1。巷道内充填有多种浓度的甲烷-空气混合气体。设置坐标原点为其起点，其中点火位置坐标为（0.25 m，2.25 m，2.25 m），点火开始时间设置为0 s。可燃性气体充填的范围为从坐标原点到（50 m，4 m，4 m）。对应的瓦斯浓度为 8.5%、9.5%和 10.5%。

图1 巷道模型Fig.1 Roadway model

1.2 网格划分

数值模拟过程中将整个巷道设为计算区域，采用均匀网格划分，在保证计算精度的前提下，在x、y、z 轴 3 个方向的网格数依次为 400、8、8 个。在巷道 x 方 向 的（10.75、40.75、72.75、104.75、136.75、168.75、198.75 m）处分别设置了 7 个监测点，用来监测爆炸过程中特性参数的变化情况，网格划分如图2。

图2 网格划分Fig.2 Grid division diagram

1.3 基本假设

瓦斯爆炸是一个复杂的物理、化学反应过程，其中包括流体的流动扩散、多孔介质传热、表面的化学反应、气体产物 ( 如 CO、H2O 等) 的生成与扩散等，这些过程决定了瓦斯爆炸反应的最终特性。为了简化计算，从问题的实际情况出发，对模型做如下合理假设： 管道内的爆炸气体满足真实气体状态方程;甲烷爆炸过程为单步反应; 爆炸过程为绝热过程，忽略受限容器装置与外界环境的热交换。

2 数值模拟结果及分析

2.1 爆炸压力的变化

浓度9.5%时甲烷爆炸压力曲线如图3。从图3可以看出，随着爆炸压力从距离点火端最近的位置逐渐向远处依次传播，各测点的爆炸曲线也是依次出现初值。从整体上看，密闭空间内瓦斯爆炸压力曲线的最显著特征就在于压力曲线的反复波动，出现多个压力峰值。而存在泄压的压力曲线一般只有1 个压力峰值，这是二者最明显的区别。但这也与泄压口的面积和瓦斯浓度存在一定关系。根据文献[10]来看，在浓度较高和泄压口较小的情况下，爆炸压力会出现波动。观察图3 中的压力曲线，各测点的压力是从近到远依次达到第1 个压力峰值的，而第2个压力峰值则是从远到近依次出现。这个现象是由于密闭空间所造成的压力波反向传播而产生的。对于前6 个观测点，2 次峰值间隔时间明显，测点7 的反向压力波峰值并没出现，这可能是因为此观测点距末端太近导致正向波和反射波出现了叠加。

图3 浓度9.5%时甲烷爆炸压力曲线图Fig.3 Methane explosion pressure curves at 9.5%concentration

各浓度下甲烷最大爆炸压力曲线如图4。

图4 甲烷最大爆炸压力曲线Fig.4 Maximum explosive pressure curves of methane

各浓度下曲线的变化规律呈相同趋势。前3 个观测点的压力依次下降，在测点4 和测点5 先是略有上升然后稍微下降，之后一直上升，且上升的斜率较大。这说明从第5 个观测点开始，密闭条件对压力的影响很大，距离末端的密闭越近，其影响程度也越大。

从各种浓度对最大爆炸压力的比较而言，甲烷浓度为10.5%时的爆炸压力影响大于9.5%，而浓度为8.5%时的最低。尤其是对点火端和末端的影响最为显著，而末端的影响又大于点火端。这说明在末端产生的反向冲击波在传播的过程中，能量不断耗散，直至传播到起始段又开始正向传播。而第4 观测点的最大爆炸压力略高于第3 和第5 观测点的原因有可能是多个压力波叠加的结果。

2.2 爆炸温度的变化

瓦斯浓度9.5%时各测点温度曲线如图5。

图5 浓度9.5%时各测点温度曲线Fig.5 Methane explosion temperature curves at 9.5%concentration

各观测点的温度随时间的推移依次上升。测点1 至测点5 依次在某一时间段温度会突然上升，达到1 个很高的值。这主要是因为火焰封面在此时刻传播到此点而引起。之后温度会出现多次波动，但不同的是测点1 至测点3 的波动较测点4 至测点5号观测点的温度波动幅值要小的多。这可能是由于压力波的传播过程导致火焰在经过测点4 至测点5的位置时的会出现反复，在经过这2 个点时，温度突然升高；当火焰的传播由于压力作用而收缩不能通过这2 点时，温度突然降低。但对于测点1 至测点3点，由于处在燃料区或距燃料区近，则火焰在这一段的传播受压力波的影响较小，因此只出现较小的波动。对于测点6 至测点7，其温度相对于其他5 点是非常小的，这说明火焰并未传播到这一段，而温度升高的主要因素是热辐射和压力对空气压缩而产生的温度变化。

在不同浓度条件下，各测点最高温度曲线如图6。整体上来看，和对压力的影响相同，10.5%时的最高温度值最大，其次是9.5%时的最高温度，最低的是8.5%时的最高温度。浓度为9.5%和10.5%时的数值比较接近，在各测点的值依次呈现先下降然后略上升最后再减小的规律，而浓度为8.5%时的最高温度一直呈下降趋势。这也说明了浓度为9.5%和10.5%时的反应比8.5%时要强烈得多。第7 点的压力较第6 点略有上升可能是由于压力波对空气的压缩焓变所导致。

图6 各测点最高温度曲线Fig.6 Maximum temperature curves of each measuring point

2.3 火焰形态的发展变化

由于气体燃烧反应发生在火焰锋面，可以通过燃烧产物的生成过程来观察火焰的传播过程的形状和速度变化。根据上述分析可知，无论是最大爆炸压力还是最高温度都是当甲烷浓度为10.5%时其值最大，因此选取浓度为10.5%时，不同时刻火焰形态发展过程如图7。

从图7 可以看出，在1 s 以前，火焰传播速度较慢，且巷道上部火焰传播速度较下部要更快；传播至1 203 ms 时，火焰面被拉伸的更宽，传播速度较上一阶段明显加快；当传播到1 475 ms 时，火焰锋面前端已经接近第6 监测点，巷道下部的火焰锋面后端也基本赶上了上部的火焰后端，这一阶段火焰传播速度较上2 个阶段更快。之后由于受压力作用火焰锋面前端不在向前传播，火焰后端继续向前传播，但传播距离很短；当传播到1 625 ms 时，火焰已表现为明显的反向传播，火焰锋面向后移动。虽然这是浓度10.5%时的火焰发展状况，但根据相似性，说明了对上述2 小节现象的解释应该是正确的。在1 725 ms，火焰已不再规则，说明出现了湍流现象，之后湍流现象越来越明显，直到反应结束。

图7 火焰形态发展过程Fig.7 Diagram of flame morphology development

3 结 论

1）密闭空间内，由于压力波的反射作用导致瓦斯爆炸压力曲线多次波动，且波动幅值大，出现多个压力峰值，这是和存在泄压口的爆炸环境的最大区别，且爆炸压力远远大于存在泄压口的环境。

2）在爆炸传播过程中，各点的爆炸温度按距点火位置的远近随时间推移依次开始升高且在某一点突然出现极大幅度的上升，之后温度出现波动，在距离燃料区较近区域波动幅度小，在稍远的距离波动幅度大。而在距末端较近的距离，温度升高的幅度较前面的监测点而言值非常小。

3）对比不同浓度的甲烷，其对爆炸最大压力和最高温度的影响规律相同。浓度为10.5%的甲烷气体的影响最大，9.5%的次之，而8.5%的则最小，且10.5%和 9.5%的值较接近，8.5%的差距较其他两者较大。

4）爆炸过程中，火焰形态出现明显变化。开始阶段，火焰传播速度加快，火焰锋面被拉伸变长，但传播到第6 监测定附近后由于压力作用会反向传播。之后出现湍流现象，直至反应结束。