细水雾粒径对管内瓦斯爆炸特性的影响机理研究

2021-10-25常新明张红军魏垂胜刘永志王发辉

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年5期

常新明，张红军，魏垂胜，刘永志，王发辉

（1.河南龙宇能源股份有限公司，河南永城 476600；2.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000）

0 引言

我国是煤炭生产大国，瓦斯突出矿井约占煤炭总矿井的一半。瓦斯是煤矿安全的最大威胁，全国煤矿重大安全事故70%以上都与瓦斯爆炸有关。同时，瓦斯是储存于煤层中的非常规天然气，是常规天然气最现实可靠的补充或替代能源［1］。长期能源短缺导致的能源价格上涨是中国经济增长中的一个短板，所以所有可以利用的能源都是宝贵的。但是，国家发展和改革委员会公布的数据显示，全国煤层气利用率仅为23%，这意味着大多数煤矿瓦斯都排入到了空气中，不但造成极大的能源浪费，而且瓦斯中的甲烷产生的温室效应也仅次于二氧化碳［2］。因此，将本来排空的煤矿瓦斯变为清洁能源，做到“变废为宝”，可以弥补我国现阶段的能源短缺问题。我国现有煤矿生产中抽采的瓦斯体积分数低于30%的占70%以上，其中相当一部分瓦斯体积分数低于16%［3-4］，这种体积分数的瓦斯在开采、运输和利用过程中存在极大的安全隐患，主要原因是5%～16%体积分数的瓦斯易燃易爆，甚至输运过程中产生的静电、粉尘摩擦都可能导致瓦斯管道发生爆炸［5］。目前，在实际工程应用过程中，保证低体积分数瓦斯安全输运的技术主要有：管道内喷粉抑爆［6］、添加细水雾抑爆［7］、惰性气体抑爆［8］等。其中细水雾抑爆与其他抑爆技术相比，具有清洁、环保和成本低等优点，且细水雾添加也容易实现，因此，开展细水雾抑制管道内瓦斯爆炸的机理研究，对实现煤矿低体积分数瓦斯的高效利用具有重要的理论和现实意义［9］。

对于细水雾抑制管内瓦斯爆炸的研究，国内外学者做了大量工作，取得了一定成果。余明高等［10-13］、温小萍等［14］、王发辉等［15］通过将细水雾与惰性气体、多孔介质等结合的方法探究综合作用下细水雾对甲烷燃烧的影响，结果表明都能对瓦斯爆炸起到一定的抑制作用；A.Yoshida等［16］、W.Ebina等［17］通过试验和模拟方法，研究了水雾对管道内甲烷燃烧的抑制作用，发现由于水雾的存在，甲烷燃烧过程中产生的H，O，OH自由基数量减少，从而导致火焰反应速率下降；T.Parra等［18］通过试验研究了细水雾与预混火焰在受限空间内的相互作用机理，认为细水雾对于火焰的抑制作用主要来自于水蒸气对于氧气的稀释；K.Van W ingerden等［19-20］认为细水雾对火焰的影响与其粒径有关，大粒径水雾会增加燃烧的湍流效应，从而促进火焰爆炸。多数研究是通过改变水雾，分析不同条件下的水雾抑爆效果，并分析各因素对抑爆效果的影响规律。但从目前研究成果可以看出，大多还是从宏观层面探究细水雾参数变化对火焰传播速度、爆炸压力等宏观参数的影响规律进行分析，而针对细水雾和爆炸火焰之间的耦合作用的微观机理，比如反应速率、细水雾蒸发特性等还鲜有研究，这难以全面揭示细水雾抑制瓦斯爆炸的作用机理，需要进一步明确细水雾-爆炸火焰-湍流之间的耦合作用。因此全面分析细水雾对瓦斯抑爆特性的影响规律是细水雾抑爆技术应用目前亟待解决的问题。

本文通过搭建的半开放试验管道研究细水雾粒径对管道瓦斯爆炸抑制特性的影响规律，并通过数值模拟方法研究细水雾作用下火焰内部温度场和燃烧反应速率的变化规律，更深层次地探究细水雾抑制管道瓦斯爆炸的作用机理，以期为细水雾抑爆系统的设计提供理论依据。

1 试验

1.1 试验装置与试验方法

1.1.1 试验装置

图1为研究细水雾粒径对瓦斯爆炸影响的试验装置。试验装置主要由3部分组成：第一部分是由有机玻璃管、水雾喷嘴和点火装置组成的试验管道，尺寸为150 mm×150 mm×1 700 mm，右侧采用不锈钢板进行封闭，钢板中心安装脉冲点火头，左侧泄爆口采用PVC薄膜密封，管道顶部距离管道封闭段850 mm处安装雾化喷头，可产生平均粒径5μm和45μm的细水雾；第二部分是由甲烷高压气瓶、空气压缩机和质量流量计组成的配气系统，可以配置不同体积分数的试验气体；第三部是由高速摄像机、压力传感器、光电传感器和数据采集卡等组成的图像数据采集装置，其中高速摄像机与管道垂直放置，用于捕获火焰传播图像，压力传感器用于检测火焰爆炸过程中的压力，通过光电传感器控制摄像机与压力传感器同步进行数据收集。

1.1.2 试验方法

（1）根据试验要求调节气体质量流量计，按图1连接好试验管路，在管道开口端加装PVC薄膜，调整点火设备，使其处于待激发状态。

图1 试验装置图Fig.1 Experimental device diagram

（2）打开空气压缩机开关和甲烷高压气瓶开关，向试验管道内充入5倍管道体积的甲烷／空气混合气体，确保试验管道内的空气完全排出，且混合气体在管道内分布均匀。

（3）充气20 min后，进行喷雾，喷雾时间根据细水雾粒径和质量体积进行确定，喷雾结束后立即关闭进出口阀门，激发点火头，引燃气体。

（4）光电传感器控制高速摄影机和压力传感器开始工作，进行同步图像和压力数据采集。

1.2 结果与分析

1.2.1 细水雾粒径对瓦斯管内爆炸火焰传播速度的影响

试验瓦斯体积分数为9.5%，水雾质量体积为646 g／m3，图2分别为无水雾、5μm粒径细水雾和45μm粒径细水雾下的火焰传播过程。

图2 不同细水雾粒径火焰传播过程图Fig.2 Flame propagation process diagram under different water mist particle sizes

由图2可知，在点火初期，火焰从点火点向外扩散，形成半球形火焰，火焰侧边接触壁面后，火焰前锋逐渐形成“手指”状结构。不同粒径细水雾下，火焰的颜色差别较大，无水雾时火焰呈淡蓝色，添加5μm粒径细水雾时火焰呈暗红色，添加45μm粒径细水雾时火焰呈亮黄色。根据火焰颜色可以定性判断：当在管道内添加5μm粒径细水雾时，火焰温度最低，添加粒径45μm细水雾时火焰温度最高。这说明当爆炸管道内添加5μm粒径细水雾时，爆炸受到抑制，但当添加45μm粒径细水雾时，爆炸强度不但没有减弱，反而增强。由图2还可以看出，当管道内未添加细水雾时，火焰传到管道出口需要109 ms，当添加5μm粒径细水雾时，其管内传播时间为214 ms，而当添加45μm粒径细水雾时，火焰传到出口仅需要106 ms。以上数据表明，当添加5μm粒径细水雾时，火焰传播时间增加约1倍，此时细水雾对瓦斯火焰的燃烧具有很好的抑制作用，但细水雾粒径增大到45μm 时，火焰传播速度反而加快，说明细水雾对管内瓦斯爆炸的强度起到了促进作用。本文根据试验数据计算了不同粒径条件下火焰传播速度随火焰传播距离变化的速度曲线，如图3所示。

图3 不同粒径条件下火焰传播速度随传播距离变化曲线Fig.3 Flame propagation velocity curves under different watermist particle sizes

由图3可以看出，未添加细水雾时，在距点火点约1 000 mm处爆炸火焰传播速度达到最大值，为31.5 m／s；添加5μm粒径细水雾后，火焰在距点火点约1 200 mm处达到火焰传播速度的最大值，为15.2 m／s，相比未添加细水雾时，最大传播速度降低了50%；当进一步增大细水雾粒径至45μm时，火焰在管道内的整个传播过程中都处于加速状态，出口处火焰传播速度达到最大值，为45.8 m／s。图2～3都表明：与无水雾存在的管内瓦斯爆炸相比，当在瓦斯管道内添加5μm粒径细水雾时，管内瓦斯爆炸强度降低；添加45μm粒径细水雾时，管内瓦斯爆炸强度提高。

1.2.2 细水雾粒径对瓦斯管内爆炸压力的影响

为了进一步验证水雾粒径对于管内瓦斯爆炸过程的影响，图4绘出了不同粒径细水雾条件下瓦斯爆炸时爆炸压力随时间振荡曲线。

图4 不同粒径细水雾条件下火焰爆炸压力随时间振荡曲线Fig.4 Pressure oscillation curves of flame propagation under different watermist particle sizes

由图4可以看出，无水雾时，瓦斯爆炸的最大压力为7.39×103Pa，添加5μm粒径细水雾时，最大压力仅为3.47×103Pa，最大压力降低了53%；当增大细水雾粒径时，爆炸产生的最大压力值达到了9.74×103Pa，相比于无水雾时，增加了55.2%。爆炸压力的变化规律进一步验证了5μm粒径细水雾对于瓦斯爆炸具有很好的抑制作用，45μm粒径细水雾对瓦斯爆炸具有一定的促进作用。

综合以上分析，无论火焰图像、火焰传播速度还是爆炸压力方面，都说明与无水雾时管内瓦斯爆炸相比，当在瓦斯管道内添加5μm粒径细水雾时，管内瓦斯爆炸强度降低；添加45μm粒径细水雾时，管内瓦斯爆炸强度提高。其主要原因是5μm粒径细水雾比表面积较大，此时细水雾与火焰内部换热剧烈，细水雾快速蒸发，细水雾能够在火焰作用下完全汽化，吸收大量热量，降低燃烧反应速率，从而降低火焰传播速度；另一方面，由于汽化产生大量的水蒸气，稀释了可燃气体的体积分数，抑制了燃烧反应中自由基的生成，从而导致火焰传播速度和爆炸压力降低。相反，当细水雾粒径为45μm时，其比表面积仅为5μm粒径细水雾的1／9，此时火焰与细水雾的接触面积减小，燃烧结束时细水雾可能未完全蒸发，从而导致湍流产生，湍流脉动使火焰变形，这种变形作用使火焰表面积增加，从而造成高温气流与未燃气体能够快速混合，化学反应速率迅速增大，导致火焰传播速度增大和爆炸压力上升。

2 数值模拟

由于瓦斯爆炸过程中火焰传播速度较快，整个爆炸过程时间为毫秒量级，试验研究中，对火焰温度的测试存在一定困难，而且爆炸过程中其化学反应速率难以通过试验进行测试，而这些参数对深层次探究细水雾抑制管内瓦斯爆炸作用机理非常重要。因此，本文基于FLUENT软件，对不同细水雾粒径条件下火焰温度和燃烧反应速率进行数值模拟计算，可以更好地对细水雾和爆炸火焰之间的作用机理进行分析。

2.1 计算模型和模型验证

本文采用的燃烧计算模型为涡扩散概念模型，细水雾运动采用DPM 模型进行计算，且在计算过程中考虑细水雾的蒸发。采用试验和模拟方法研究细水雾对瓦斯爆炸的影响时，为了验证计算模型的准确性，设置瓦斯体积分数9.5%，细水雾粒径5μm，细水雾质量体积117.6 g／m3，将试验和模拟结果进行对比，结果见图5。

由图5可以看出，在相同工况下，数值计算结果能够很好地反映真实的火焰传播过程，火焰结构演变都是从点火初期的球状火焰逐渐发展成为“手指”状火焰，试验结构相同。同时，从火焰传播至管道出口时所用时间看，试验结果为90 ms，数值计算结果为87 ms，两者相差3 ms，误差仅为3.3%；有细水雾时，试验和模拟管道内火焰传播时间分别为124 ms和133 ms，两者相差仅9 ms，误差仅7.2%。误差产生的主要原因是试验过程中火焰会通过壁面散热，而数值计算将壁面设定为绝热壁面，另外，壁面的冷壁效应会造成管内有效水雾质量体积降低，这些因素都会影响火焰传播速度，造成两者计算结果不同，但模拟和试验结果显示误差都在10%以内，可以认为本文数值计算模型是可靠的，能够很好地再现管道内瓦斯爆炸过程。

图5 有无水雾模拟与试验结果对比Fig.5 Results comparisons between simulation and experimentwith or withoutwatermist

2.2 数值计算结果分析

2.2.1 细水雾条件下燃烧火焰内部温度场分析

通过数值模拟计算了不同细水雾条件下火焰内部温度场，图6给出了火焰锋面传播到350，750 mm位置处无水雾和添加5μm粒径细水雾2种工况下的中心轴线处温度变化曲线。

图6 有无细水雾条件下不同火焰锋面处火焰温度随传播距离变化曲线Fig.6 Flame temperature curves of different flame fronts with or without watermist

由图6可以看出，无细水雾条件下，火焰锋面传播到350 mm处时，火焰内部温度约2 300 K，在火焰锋面处温度快速下降到环境温度300 K；当火焰锋面传播到750 mm处时，由于燃烧时间短，与低温壁面换热少，火焰内部温度变化不大，这说明在无细水雾条件下，火焰内部温度基本不随火焰传播而发生变化。在管道内部添加细水雾后，当火焰锋面传播到350 mm处时，可以观察到火焰内部温度有明显下降，约为2 100 K，而火焰锋面处的温度下降趋势与无水雾时基本一致，当火焰锋面传播到750 mm时，可以观察到火焰内部温度降低到约1 970 K，这是因为细水雾蒸发会导致火焰温度降低，而细水雾蒸发是一个连续过程，蒸发吸热降低火焰内部温度也是一个连续过程，同时由于火焰传播速度减慢，火焰与细水雾之间换热较为充分，导致在很短的传播时间内，火焰内部温度明显下降。

2.2.2 细水雾条件下燃烧反应速率分析

上文分析了细水雾对燃烧火焰温度的影响，但化学反应速率同样是影响瓦斯爆炸强度的主要因素之一，为此，本文通过数值模拟得到无细水雾和5μm粒径细水雾2种工况下燃烧反应中生成水的速率随传播距离变化曲线，如图7所示。

图7 有无细水雾条件下燃烧反应生成水的速率随传播距离变化曲线Fig.7 Rate of water generated by combustion reaction with or without water mist

由图7可以看出，在无细水雾条件下，不同时间点燃烧反应生成水的速率基本一致，火焰处于一个均匀的燃烧过程，燃烧反应生成水的速率约180 kg／s。在管道内加入5μm粒径细水雾后，反应速率比未加细水雾时明显降低，且降低幅度随反应进行逐渐变大，当火焰锋面传播到700 mm处时，燃烧反应速率只有无水雾时的50%。

化学反应速率可根据反应物的浓度和温度系数表示为

式中：［A］和［BC］分别为反应物的浓度；k′（T）为正比于温度的系数，可表示为

结合式（1）和（2），爆炸过程中细水雾蒸发产生大量水蒸气，降低了反应物浓度，同时由于水是燃烧反应的产物，会导致燃烧反应逆向进行，进而导致反应速率降低。同时，水雾在蒸发过程中吸收大量的热量，温度系数k′（T）降低，同样会导致反应速率降低。从反应速率的数值计算结果和理论分析可知，管道内添加5μm粒径细水雾时，细水雾抑制作用的存在使燃烧反应区内的温度降低，从而造成热扩散系数和反应速率都有一定程度减小，使瓦斯爆炸火焰的传播速度降低，爆炸强度受到一定程度抑制。

3 细水雾条件下促爆机理分析

试验结果显示，5μm粒径细水雾对管内瓦斯爆炸具有很好的抑制作用，而45μm粒径细水雾对管内瓦斯的爆炸不但没有抑制作用，反而起到促进作用。为了进一步探究细水雾促爆机理，本文通过数值模拟方法研究160μm粒径细水雾条件下火焰传播速度和爆炸压力分别随传播距离和时间的变化，如图8所示。

图8 大粒径细水雾条件下火焰传播速度和爆炸压力分别随传播距离和时间的变化曲线Fig.8 Flame propagation velocity curves and explosion pressure curves under different large particle size of water mist

由图8（a）数值计算结果可以看出，管道内添加160μm粒径细水雾后，管道内火焰最大传播速度从38.2 m／s上升到62.1 m／s，最大传播速度增加了约63%，这种情况也发生在压力变化过程中，如图8（b）所示，添加160μm粒径细水雾后，爆炸的最大超压值由1.313×104Pa增到2.492×104Pa，最大超压值相比于无水雾条件增加了约90%。可以认为较大粒径的细水雾对瓦斯爆炸具有明显的促进作用，其主要原因有：首先，粒径较大的细水雾其比表面积较小，在爆炸过程中与火焰之间的传热速率较低；其次，由于爆炸时间极短，管道内细水雾无法完全蒸发，对于传播的火焰而言，细水雾相当于障碍物，其存在使管道内气体流动的湍流强度增加，使燃烧区反应速率增大，当细水雾蒸发吸热的量不足以抵消细水雾带来的湍流增强效应时，细水雾的存在就会促进瓦斯爆炸。

细水雾在火焰内部的蒸发过程伴随着粒径变化，粒径的变化规律可表示为

式中：d为细水雾瞬时直径；d0为细水雾初始直径；t为细水雾蒸发时间；k为细水雾蒸发常数；λ和cp分别为气体的导热系数和比热容；ρL为细水雾密度；L为液体的汽化潜热；Tf和Ts分别为火焰表面和细水雾表面温度。

由式（3）可以看出，如果细水雾完全蒸发，则细水雾蒸发时间与初始粒径的平方成正比。结合式（3）和（4）可计算出本文试验中的颗粒蒸发时间，如表1所示。

表1 不同粒径细水雾的蒸发时间Tab.1 Evaporation time of watermistwith different particle size

无细水雾时，火焰最大传播速度为38.5 m／s，此时层流火焰前锋面厚约5 mm，颗粒穿过火焰前锋面的时间仅需0.13 ms，在该时间内如果细水雾无法蒸发就会对火焰传播造成阻碍作用。本文的试验和模拟结果都很好地印证了上述结论：当粒径为5μm时，细水雾能够在火焰锋面完全蒸发，能够有效抑制瓦斯爆炸；当细水雾粒径为45μm和160μm时，细水雾无法在火焰锋面完全蒸发，此时细水雾会增强火焰的湍流效应，促进火焰燃烧，对管内瓦斯爆炸起到一定的促进作用。