圆柱体障碍物对密闭管道内瓦斯爆炸特性影响的数值模拟

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.西安科技大学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.西安科技大学西部煤矿安全教育部工程研究中心，陕西 西安 710054)

瓦斯爆炸是严重威胁煤矿安全生产的重要因素。据徐枫等[1]对2006—2015年间我国煤矿瓦斯事故的统计，结果显示瓦斯爆炸事故起数占煤矿事故总数的比例为53.4%，死亡人数占比为60.4%。此外，由于井下环境复杂，许多机械设备即障碍物都会对瓦斯爆炸特性产生极大的影响。针对这一问题，国内外诸多学者对障碍物对管道内瓦斯爆炸特性的影响进行了研究。如尉存娟等[2-3]、蔺照东等[4]、王成等[5]、王志青等[6]、解北京等[7]分别研究了障碍物的形状、间距、阻塞比、数量等因素对管道内瓦斯爆炸特性参数的影响，并对比了各因素对瓦斯爆炸特性参数的影响程度。但这些障碍物多为平面结构，因此孟璐[8]、丁小勇等[9]研究了不同形状立体障碍物对水平管道中瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的影响；徐景德等[10]采用正方体障碍物模拟了不同数量的矿车对煤矿瓦斯爆炸的激励效应；孟亦飞等[11]模拟研究了大尺寸通风管网中障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播特性的影响；Masri等[12]、Ciccarelli等[13]和Zhou等[14]均通过试验研究了障碍物形状、阻塞比和间距对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响；Li等[15]则采用数值模拟的方法研究了障碍物阻塞比和间距对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的影响；Wang等[16]采用数值模拟的方法研究了障碍物存在时瓦斯爆炸的压缩波与火焰传播之间的相互作用机理。

上述研究多针对平面障碍物，且关注点多为瓦斯爆炸火焰传播速度的变化。鉴于此，本文针对矿井进、回风巷道处的实际状况，选用圆柱体障碍物代表液压支柱，基于FLACS软件对置障条件下密闭管道内瓦斯爆炸过程进行了数值模拟，并选取密闭管道内全过程的瓦斯爆炸压力、最大爆炸压力、爆炸温度、最大压力上升速率等多个瓦斯爆炸特性参数，分析了圆柱体障碍物的存在对密闭管道内瓦斯爆炸特性的影响。

1 数学模型与数值方法

1.1 数学与物理模型

FLACS软件是一款专业处理气体泄漏、扩散、爆炸与火灾的安全评估软件，在其爆炸模块中采用了多种数学方法和手段来计算结果并实现其可视化。具体的数学方法和可视化方法可参考文献[17]。该软件操作简单，并经过大量的实验验证，已经在很多领域得到广泛应用。因此，本文采用FLACS软件对置障条件下密闭管道内瓦斯的爆炸过程进行了数值模拟。

简化的模拟管道两端密闭，在x、y、z轴方向上的长度分别为200 m、4 m、4 m，管道内充填有浓度为10.5%的甲烷-空气混合气体。建立的瓦斯爆炸管道模型见图1。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(150 m，4 m，4 m)；在其点火端一侧分别设置无障碍物、直径为0.3 m和0.5 m 3个等级的圆柱体障碍物，每排支柱数为4个，各排之间间距为1.5 m，共20排，延伸的长度为30 m，障碍物分布见图2。阻塞比指障碍物所占截面面积的比例，经计算其分别为0.3和0.5。

图1 瓦斯爆炸管道模型Fig.1 Model of gas explosion pipeline

图2 障碍物分布示意图Fig.2 Diagram of obstacle distribution

1.2 网格划分

数值模拟的计算区域为整个管道并采用均匀网格划分，本文设置x、y、z轴3个方向的网格数分别为400个、8个、8个。按照文献[17]的要求，网格的尺寸应小于0.1×(Vfuel)1/3，通过计算可知本文的网格尺寸符合要求。为了确保计算结果的准确性，监测点的设置不能与网格线重合，最好能放在某一网格的中间位置，因此对照网格划分的尺寸大小，在横截面y和z方向上选取的坐标为(2.25 m，2.25 m)，在巷道x方向上10.75 m、40.75 m、72.75 m、104.75 m、136.75 m、168.75 m、198.75 m处分别设置了7个监测点，记为P1～P7，这个方向上的监测点也设置在某一网格的中间位置，具体坐标位置见图3。这些监测点不但可以用来监测本坐标位置瓦斯爆炸过程中特性参数的变化情况，也可以通过各监测点之间的对比分析来了解瓦斯爆炸在管道内的发展变化情况。

图3 网格划分及监测点坐标示意图Fig.3 Diagram of grid division and coordinate of the monitoring points

1.3 边界条件及参数设置

对于FLACS软件，针对气体爆炸的数值模拟，可设置所有边界条件为EULER边界；设定的初始条件为常温常压、氧气浓度为20.95%；选取的随时间变化的变量参数包括P(爆炸压力)、PMAX(最大爆炸压力)、T(爆炸温度)，VVEC(流场正反向传播速度)。其中，VVEC包含x、y、z三个方向上的流场传播速度。

2 结果与分析

2.1 阻塞比对瓦斯爆炸压力的影响

由于管道内各处的瓦斯爆炸压力曲线变化规律基本相同，故本文只选取管道内间隔距离大致相同的P1、P3、P5、P74个监测点不同阻塞比下的瓦斯爆炸压力曲线进行了数值模拟，其模拟结果见图4。

通过对3个阻塞比下各监测点的瓦斯爆炸压力曲线进行比较分析(见图4)发现，从爆炸反应时间上看，无障碍物时的反应时间最长，反应时长达2.5 s左右，其次为阻塞比为0.5时的反应时间，阻塞比为0.3时的反应时间最短，反应时长约1.15 s，但阻塞比为0.5与阻塞比为0.3的反应时间相差只有约50 ms，总的来看障碍物的存在使爆炸反应时间缩短了一半；从瓦斯爆炸压力曲线的变化来看，两种有障碍物情况下瓦斯爆炸压力上升的速率几乎一致，而无障碍物时瓦斯爆炸压力上升的速率则较慢，而在有障碍物条件下，瓦斯爆炸压力曲线反复波动的次数有了很大减少，但瓦斯爆炸压力值却有很大上升。这个现象是由于障碍物的存在极大地促进了瓦斯爆炸的传播速度，使得可燃气体很快被耗尽，缩短了爆炸反应时间，使爆炸过程提早结束，造成瓦斯爆炸压力曲线波动次数减少。但同时也可看到阻塞比为0.3和0.5时瓦斯爆炸过程的剧烈程度并不会出现太大的变化。

图4 不同阻塞比下各监测点瓦斯爆炸压力变化曲线的对比Fig.4 Comparison of explosive pressure variation curves at each monitoring point with different blocking ratios

图5为不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力曲线的对比。

图5 不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力曲线的 对比Fig.5 Maximum explosion pressure curves of gas at each measuring point with different blocking ratios

由图5可见，除P6监测点外，障碍物使各监测点的瓦斯最大爆炸压力都有所提高，而监测点P2和P7的瓦斯最大爆炸压力提高幅度较其他点更大；从数值的大小上来看，除P2监测点外，阻塞比为0.3时各监测点瓦斯的最大爆炸压力值与阻塞比为0.5时的基本一致，但阻塞比为0.3时的则略大一些，这是由于P2监测点恰好处在障碍物位置的结尾附近，所以在此处阻塞比越大，湍流对此点的影响较其他监测点更明显，而P7监测点瓦斯的最大爆炸压力增幅大的原因主要是此监测点在管道末端附近，压力波在此处出现了多次叠加的结果。

表1为不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力峰值时间tpmax的对比。

表1 不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力峰值时间tpmax的对比Table 1 Peak time of the maximum explosion pressure of the gas (tpmax) at each monitoring point with different blocking ratios

由表1可知，无障碍物时各监测点瓦斯最大爆炸压力峰值时间(tpmax)较为混乱，表现为P2和P3监测点的tpmax值最小，其余各监测点的tpmax值依次减小；而阻塞比为0.3和0.5时的tpmax值在各监测点依次减小，这说明了各监测点是在压力波反向传播时达到瓦斯爆炸压力最大值的；对比而言，以阻塞比为0.3时的tpmax时间最短，阻塞比为0.5时的次之，无障碍物时的tpmax时间最长。

2.2 阻塞比对瓦斯爆炸温度的影响

图6为不同阻塞比下各监测瓦斯爆炸温度变化曲线的对比。

图6 不同阻塞比下各监测点瓦斯爆炸温度曲线的对比Fig.6 Comparison of gas explosive temperature variation curves at each monitoring point with different blocking ratios

由图6可见，所有监测点的瓦斯爆炸温度一开始都保持在室温，到某时刻出现突然的升高，而这一突变出现时刻沿各监测点都略有推迟，出现瓦斯爆炸温度突变的原因是火焰经过了此点，而突变点的延迟说明了火焰是逐渐向前传播的；P1、P3、P5监测点在3种阻塞比下瓦斯的最高爆炸温度接近，而P7监测点在阻塞比为0.3和0.5时瓦斯的最高爆炸温度比无障碍物时要高出许多，且该监测点在无障碍物条件下瓦斯爆炸温度突变点的增长速率较低；无论哪种阻塞比下各监测点瓦斯的最高爆炸温度依次下降，说明火焰在传播过程中存在能量的损耗，但P7监测点瓦斯最高爆炸温度下降的幅度最大，说明火焰并未到达此点，而瓦斯爆炸温度升高的主要原因应该是热对流和热辐射。

图7为不同时刻各阻塞比下瓦斯爆炸火焰的对比图，图中纵向的7条虚线从左往右依次为P1～P7监测点的位置。

图7 不同时刻各阻塞比下瓦斯爆炸火焰对比图Fig.7 Comparison diagram of gas explosion flame at different times with different blocking ratios

由图7可见，无障碍物时的瓦斯爆炸火焰传播在1.92 s时才能到达阻塞比为0.3和0.5时火焰传播0.89 s时所到的位置，而且瓦斯爆炸温度也较后两种情况小；而后两种情况下各监测点的瓦斯爆炸温度基本相同，在P6监测点附近也都呈现为郁金香火焰的形状，郁金香火焰形状也是瓦斯爆炸发展到一定程度才会出现的现象，而这种形状在无障碍物时不明显。与瓦斯爆炸温度相关的这些状况都表明了障碍物对瓦斯爆炸的促进作用。

2.3 阻塞比对其他瓦斯爆炸特性参数的影响

图8为不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力上升和下降速率曲线的对比。

图8 不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力 上升和下降速率曲线的对比Fig.8 Comparison of rise and fall rate curves of the maximum explosion pressure of the gas at each monitoring point with different blocking ratios

由图8可见，不同阻塞比下各监测点瓦斯最大爆炸压力上升和下降速率曲线的变化规律一致；但在P2和P7监测点两曲线差异最为明显，其中P2监测点位于障碍物的结尾处附近，而P7监测点处于管道的末端，各压力波的叠加效果较其他各监测点要大得多；在P2～P6监测点范围内，障碍物对瓦斯最大爆炸压力上升速率的影响程度要比瓦斯最大爆炸压力下降速率的大，这说明障碍物的促进作用主要集中在瓦斯爆炸反应从开始到最剧烈的的上升阶段内，而较少作用在其减弱阶段。

图9为不同阻塞比下各监测点瓦斯流场正向和反向最大速度曲线的对比。

图9 不同阻塞比下各监测点瓦斯流场正向和反向 最大速度曲线对比Fig.9 Comparison of maximum velocity curves of the gas flow field forward and backward at each monitoring point with different blocking ratios

由图9可见，瓦斯流场正向最大速度曲线在各阻塞比情况下的变化规律是一致的，表现为前6个监测点流场正向最大速度一直上升，到达P7监测点下降；而瓦斯流场反向最大速度曲线在无障碍物时的变化规律与其他两种阻塞比情况下存在差别，表现为P3监测点瓦斯流场反向最大速度开始减小，说明障碍物的存在虽然增大了瓦斯的爆炸压力，加剧了反应程度，但同时也缩短了爆炸反应时间，使各压缩波重叠时间缩短，在反向传播到P6监测点时就已经无后续冲击波的补充；而无障碍物时这一过程则延续到P2监测点。这一过程也可以解释图8中瓦斯最大爆炸压力上升和下降速率在P6和P7监测点变化大的现象。

3 结论与建议

本文通过FLACS软件模拟分析了密闭管道内有、无障碍物时不同阻塞比情况下瓦斯的爆炸过程，得到以下结论：

(1) 障碍物的存在对瓦斯爆炸的火焰传播具有很大的促进作用，但阻塞比对其爆炸反应剧烈程度的影响较小，对比而言，阻塞比为0.3较0.5时的促进作用略大一些；同时障碍物的存在也使瓦斯爆炸压力反复波动的次数大大减少。

(2) 从瓦斯最大爆炸压力来看，阻塞比越大，湍流对障碍物结尾附近处的影响较其他位置就越明显；障碍物的存在同样也会使管道末端附近的瓦斯爆炸压力出现很大的上升。

(3) 障碍物的存在在加剧瓦斯爆炸反应程度的同时却缩短了爆炸反应时间，致使各压缩波重叠时间缩短，从而引起瓦斯流场在反向传播时较早出现流场反向最大速度下降趋势，但其依然大于无障碍物时的流场反向最大速度。

本文仅考虑了阻塞比为0、0.3、0.5的三种情况，其他阻塞比下各瓦斯爆炸特性参数的变化规律是否服从此规律，还需要进一步的验证。另外，本试验的初始条件是常温常压且可燃气体仅为甲烷气体，还需要进一步探究在井下实际温度以及多种可燃气体组分状况下障碍物对管道内瓦斯爆炸特性的影响，这将是今后的研究方向。