障碍物排列方式对甲烷/空气爆炸特性影响研究

2022-04-08宋双林王永敬田富超

能源与环保 2022年3期

刘磊，宋双林，葛欢，王永敬，田富超

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈抚示范区 113122； 2.煤矿安全科技国家重点实验室，辽宁沈抚示范区 113122)

瓦斯爆炸事故是煤矿重大灾害之一，不仅会造成能源损失和人员伤亡，而且会产生毒害气体为后续救援造成极大困难[1]。为此，许多学者针对可燃气体的抑爆试剂[2-7]和防爆装置[8-9]开展了大量的研究工作，并取得了一定的效果。随着煤矿智能化程度的提高，井下智能设备的数量逐渐增多。研究表明，类似于障碍物的井下设备能够促进煤尘/瓦斯形成更大爆炸压力及火焰传播速度[10-19]，容易造成原有的隔抑爆措施失效。因此，有必要深入研究障碍物对瓦斯爆炸特性的影响，从而完善井下阻燃抑爆技术。

为了研究井下设备对瓦斯爆炸特性的影响，国内外学者开展了大量的实验研究。在障碍物阻塞比方面，Johansen等[11]研究了方形管内阻塞比对火焰加速传播过程的影响，发现高阻塞比的障碍物对火焰加速效果明显，可以使火焰传播速度加速到声速以上。Wang等[12]在直径为350 mm、长40 m的圆形管道内，研究4种阻塞率的障碍物对甲烷/空气混合气体爆炸特性的影响，发现障碍物阻塞率越大，未燃气体的混合物与冲击波的相互作用越强，从而促进火焰加速；同时，障碍物阻塞率增加也会导致燃烧热散失量的增加，进而抑制火焰的传播，火焰的加速取决于两者相互作用的结果。在障碍物数量方面，吴红波[13-14]等在方形管内研究障碍物对火焰加速机理影响，发现随着障碍物数量的增加，火焰传播速度迅速提高，导致爆炸强度和波及范围迅速增大，障碍物对火焰的加速机理可归功于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈。在障碍物形状方面，王磊等[15]通过数值模拟的手段研究了不同形状的障碍物在密封管道的瓦斯爆炸火焰传播特性，发现管道内置方形障碍物时火焰通过整个管道用时长于梯形障碍物、球形障碍物和无障碍物的工况。在障碍物间距方面，尉存娟等[16]在实验管道内研究障碍物间距比对甲烷/空气爆炸特性的影响，发现爆炸压力和火焰传播速度随着障碍物间距的增加呈现不同增速的变化规律，障碍物间距的改变对爆炸压力的影响效果要弱于其对火焰传播速度的影响。Cieearelli等[10]研究了障碍物大小与间距对火焰加速初始阶段的影响，发现在火焰初始阶段，当阻塞率较小时，孔板障碍物间距对火焰的加速几乎没有影响，阻塞率较大时，间距对火焰加速有强烈的作用，孔板置于1倍管径距离处，测量的加速距离最短。改变障碍物在实验管道截面方向的位置，同样对瓦斯爆炸特性有着一定的影响，在相同阻塞率及数量情况下，障碍物位于管道截面中间位置时瓦斯爆炸压力及火焰传播速度最大[17]；此外，研究发现障碍物交错放置对瓦斯爆炸压力的影响大于同侧放置[18-19]。

以上学者重点研究了障碍物的阻塞比、数量、形状以及间距等对瓦斯爆炸特性的影响，而多个障碍物在管道轴向排列方式对瓦斯爆炸影响的研究相对较少。基于此本文开展了不同阻塞率障碍物在实验管道轴向的变化对瓦斯爆炸特性影响的研究，为井下设备的设计与安装、阻燃抑爆技术的研发与完善提供理论依据。

1 实验装置

实验平台构成如图 1所示。实验平台包括，管道系统、压力采集系统、图像采集系统、点火系统、配气系统。管道系统由内截面为10 000 mm2、长度为1 000 mm的有机玻璃管道构成。压力采集系统是由压力传感器和数据信息采集卡构成，压力传感器的量程为0～2 bar。图像采集系统是由高速摄像机和控制电脑构成，图像采集频率2 kHz。点火系统为自制的点火器，点火电压为6 V，点火能量为约为0.2 J。配气系统是由实验气瓶和质量流量控制器组成，通过流量调节配置9.5%甲烷—空气可燃预混气体，采用排气法，往管道内通入4倍的管道体积气体，使预混气体完全充满管道。实验选择的障碍物尺寸为100 mm×10 mm(宽×高)，长度分别为30、50、70 mm，构成阻塞率分别为30%、50%、70%。在实验管道上预留3处障碍物放置的位置，距离点火源分别为200 mm(长径比2)、400 mm(长径比4)和600 mm(长径比6)，依次记为位置1、位置2和位置3。

图1 实验平台构成示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

实验共设计了7种工况，其中在3处预留障碍物实验管道内安放阻塞率为30%的障碍物，记为Case 1，其余6种工况在工况1的基础上，将阻塞率为50%和70%的障碍物替换掉位置1处的障碍物、位置2处的障碍物和位置3的障碍物，构成不同实验工况，不同实验工况障碍物安置位置见表1。

表1 不同实验工况障碍物安置位置Tab.1 Placement of obstacles under different experimental conditions

2 结果分析

2.1 障碍物排列方式对火焰传播速度影响分析

通过高速摄像系统记录不同时刻传播火焰在管道内的传播位置，采用式(1)计算平均火焰传播速度v[20]：

v=L/(t2-t1)

(1)

式中，L为火焰锋面位置1处和2处的间距；t1为火焰锋面到达位置1处的时间；t2为火焰锋面到达位置2处的时间。

通过式(1)计算出不同管道位置下的火焰传播速度，如图2所示。从图2中曲线变化规律可以看出，在障碍物的作用下，爆炸火焰在管道内传播出现较为明显的3个峰值。

如图 2(a)所示，将管道位置3的障碍物阻塞率分别设置为30%、50%、70%时，火焰通过位置3处障碍物之后第一个瞬时峰值速度分别为259.03、309.05、292.11 m/s，相比于阻塞率为30%的障碍物，阻塞率为50%、70%时的火焰传播速分别增加了19.32%、12.77%。如图2(b)所示，将管道位置2的障碍物阻塞率分别设置为30%、50%和70%时，火焰通过位置2处障碍物之后第一个瞬时峰值速度分别为79.07、130.09、240.89 m/s，相比于阻塞率为30%的障碍物，阻塞率为50%、70%时的火焰传播速分别增加了64.53%、204.65%；如图 2(c)所示，管道位置1处的障碍物阻塞率分别为30%、50%和70%时，火焰通过位置1处障碍物之后第1个瞬时峰值速度分别为35.04、54.85、75.46 m/s，相比于阻塞率为30%的障碍物，阻塞率为50%、70%时的火焰传播速分别增加了55.76%、115.35%。因此，随着障碍物距离点火源距离的增加，障碍物阻塞率的改变对爆炸火焰传播峰值速度呈现先增大后减少的变化规律，障碍物在距离点火源400 mm时对爆炸火焰传播速度的影响最大。

图2 不同工况下爆炸火焰传播速度随位置的变化规律Fig.2 Variation of explosion flame propagation velocity with position under different working conditions

不同实验工况下甲烷爆炸火焰传播到达管道末端的时间如下：Case 1为42.18 ms；Case 2为41 ms；Case 3为41.5 ms；Case 4为39.87 ms；Case 5为39.93 ms；Case 6为38.25 ms；Case 7为36.81 ms。

相比于管道内障碍物的阻塞率均为30%的Case 1，在改变管道内障碍物的阻塞率所构成的Case 2、Case 3、Case 4、Case 5、Case 6、Case 7下火焰到达末端的时间分别缩短了1.18、0.68、2.31、2.25、3.93 、5.37 ms，如图3所示。根据上述数据绘制不同实验工况下火焰传播到管道末端时间曲线。从图3可以看出，在障碍物组中含有50%、70%阻塞率的障碍物时，火焰到达末端的时间随着障碍物随着距离点火源位置的增加而增加。改变管道内安放障碍物位置处的障碍物阻塞率，发现在管道位置2和位置3处时，阻塞率50%障碍物的工况下甲烷爆炸火焰传播到管道末端的用时最短；在管道位置1处时，阻塞率70%障碍物的工况下甲烷爆炸火焰传播到管道末端的用时最短。障碍物距离点火源越近、阻塞率越大，火焰到达管道末端的用时越短，即平均传播速度越大。

图3 不同实验工况下火焰传播到管道末端的时间曲线Fig.3 Time curve of flame propagation to the end of pipe under different experimental conditions

在一定长度的管道内，预混气体在被点燃之后，以层流燃烧的形式传播，如图4所示，火焰在30 ms之前的结构，燃烧火焰边缘相对比较平缓。

图4 火焰结构变化规律Fig.4 Variation law of flame structure

障碍物的存在会使得未燃气体在障碍物的下风侧形成不同一定强度的湍流区域，在预混火焰传播到此区域时，由平缓的层流燃烧状态转变为破碎的湍流燃烧[21]，从而加速预混气体的燃烧速率。障碍物阻塞率越大，障碍物的下风侧所形成的湍流强度越强[11]。同时，由图4可以发现，可燃气体在遇到障碍物之前的传播时间(32 ms)占据整个传播时间(42.18 ms)的75.87%，因此，在一定距离范围之内，障碍物距离点火源越近，阻塞率越大，平均火焰传播速度越快。

可燃气体燃烧所产生的热量促使已燃气体膨胀，从而推动燃烧火焰向未燃气体传播。障碍物的存在，使得未燃气体在流经障碍物时的气流流量增加，火焰通过障碍物时的受传播速度呈现增加的现象，且障碍物的阻塞率越大火焰通过障碍物时的传播速度越大。火焰通过不同阻塞率的障碍物时的结构变化如图5所示，图5中以火焰接触到障碍物记为0 ms。

图5 火焰结构通过障碍物变化 (0 ms为火焰锋面与障碍物接时刻)Fig.5 Changes of flame passing through obstacles(0 ms is the time when the flame front meets the obstacle)

火焰在通过阻塞率70%的障碍物时，火焰形状十分“尖锐”地穿过障碍物，相比于阻塞率70%的障碍物，火焰通过阻塞率50%的障碍物时，火焰结构变得较为缓和，火焰通过阻塞率30%障碍物时更为缓和。这是造成改变管道位置1和位置2处的障碍物阻塞率火焰瞬时速度增加的主要原因。燃烧火焰在经历管道位置1处障碍物的影响之下，燃烧效率得到提高，燃烧温度更大，因此火灾管道位置2处的高阻塞率障碍物时能够产生更大的火焰瞬时峰值速度。火焰传播到管道位置3的障碍物时，对于整个管道的预混气体燃烧而言，此时燃烧已经过半，点火源附近的已燃气体由于燃料殆尽而开始冷却收缩。预混气体虽然经历2个障碍物的湍流加速，但是热膨胀不仅要驱动未燃气体，同时维持已燃气体的热量损失。同时，高阻塞率的障碍物会阻碍未燃气体的流速。气体爆燃膨胀与障碍物自身对气流的阻碍协同作用下，导致障碍物在管道位置3处时，障碍物阻塞率为50%时的瞬时火焰传播速度最大。

2.2 障碍物排列方式对甲烷爆炸压力影响分析

不同实验工况下爆炸压力随时间变化规律曲线如图 6所示。从图 6可看出，整体上压力曲线在出现2个峰值之后，便开始震荡减弱，直至降为常压，火焰爆炸压力曲线出现震荡的原因是：超压振荡是超压与火焰锋面在未燃气中发生火焰—声波相互作用的结果[22]。压力随时间变化曲线可分为6个阶段，阶段1：缓慢增加阶段，持续时间在23 ms附近；阶段2：压力缓慢减少阶段，持续时间在4 ms附近；阶段3：压力缓慢增加阶段，持续时间在6 ms附近；阶段4：压力快速增加阶段，持续时间在5 ms附近；阶段5：压力快速减小阶段，持续时间在3 ms附近；阶段6：压力震荡减弱阶段。在点燃预混气体之后，由于燃烧面积的增加，使得爆炸压力缓慢增加。本次实验采用半封闭实验工况，在压力达到一定值(平均值670 Pa)之后，管道末端密封薄膜破裂，导致聚集的压力释放，造成压力降低。当管道末端压力释放速率小于燃烧产生的压力，压力进入缓慢增加的第3阶段，此时爆燃火焰锋面传播平稳，压力缓慢增加。当火焰锋面燃烧经过位置1处的障碍物时，由于燃烧面积和障碍物下风侧湍流强度的增加，导致预混气燃烧效率增大，爆燃压力进入急剧增加的第4阶段。在预混气体达到末端附近时，爆燃压力达到峰值，之后主燃区离开管道，压力进入急剧下降的第5阶段。由于管道内残留未燃尽的气体，导致压力出现震荡减弱现象。

图6 不同实验工况下压力随时间变化规律Fig.6 Variation of pressure with time under different experimental conditions

不同障碍物组合对爆燃压力峰值的影响如图7所示。

图7 不同实验工况的峰值压力Fig.7 Peak pressure under different experimental conditions

从图7可以看出，分别改变管道3个位置处的障碍物阻塞率时，阻塞率70%的障碍物对甲烷爆燃压力峰值最大，在位置1、位置2和位置3处的峰值压力分别为138.2、143.6和70.2 kPa。因此，在相同管道位置下，爆燃压力峰值随着障碍物阻塞率的增加而增加。相比于位置3处爆燃峰值压力，阻塞率50%的障碍物在位置1和位置2处的爆燃峰值压力分别增加了24、38.4 kPa；阻塞率70%的障碍物在位置1和位置2处的爆燃峰值压力分别增加了63.6、68 kPa。

障碍物与点火源的距离对预混气体爆燃压力峰值有着一定的影响，在半封闭的实验管道下，甲烷/空气预混气体的爆燃压力峰值随着障碍物与点火源距离的增加呈现先增加后变小的变化规律，在距离点火源400 mm时，爆燃压力峰值最大。障碍物增加预混气体的湍流强度，改变未燃气体的流场状态，在障碍物的下风侧，未燃气体会形成大小不一的涡流区域[23]，该涡流区域会增加热量和物质的传递，从而增加燃烧效率。如图 5所示，燃烧火焰锋面在障碍物作用下会出现拉伸变形，从而增加预混气体的燃烧面积，促进预混气体的燃烧效率，产生更多的热量，膨胀超压更大。

本实验采用半封闭实验，相比于安放障碍物的管道位置1和管道位置2，管道位置3处位于距离点火源600 mm，由于火焰锋面传播速度较快造成预混气体燃烧不充分，加之管道末端因薄膜破裂而造成的约束力减少，燃烧所形成的压力波难以作用于点火源附近的压力传感器，造成爆燃超压峰值小于障碍物在位置1、位置2对预混气体爆燃超压影响的现象。火焰在通过位置1处的障碍物之前，预混火焰以层流的燃烧状态进行传播，燃烧相对缓慢。预混火焰通过位置1处的障碍物之后，障碍物所形成的湍流气流造成燃烧气体的动量损失，从而削弱的爆燃超压。预混火焰通过位置2的障碍物时，火焰已处于具有一定强度的湍流燃烧状态，通过位置2处的障碍物所形成的湍流流场能够促进预混气体的燃烧，从而增加爆燃压力峰值。