瓦斯爆燃火焰在波纹阻火器内淬熄特性分析

2022-05-27陆明飞丛立新周军伟

煤炭学报 2022年4期

陆明飞，丛立新，周军伟

(哈尔滨工业大学海洋工程学院，山东威海 264200)

瓦斯爆燃事故是矿井主要灾害之一，给煤炭行业造成了严重的人员财产损失。阻火器作为一种使火焰发生淬熄的阻燃装置，能够有效抑制矿井下火焰的传播。火焰在其内部微细通道的淬熄涉及到各种复杂的现象，如湍流流动、传热效应、流动不稳定性和边界层等，一直是该领域研究的热点和难点。

1932年，HOLM等采用烧嘴法首次试验测量了不同气体火焰的淬熄直径。1997年，周凯元提出了熄灭层理论来解释淬熄，由于忽视了流体的黏性和内部的化学反应，在入口火焰速度较大时预测模型效果并不理想。2005年，宋占兵基于VC++建立了二维火焰在狭缝中的淬熄模型，研究专注火焰在狭缝中的流动状态和形状变化，但模拟条件过于理想忽视了壁面温度对淬熄的影响。2019年，ARIFF等试验探究了流动状态对火焰淬熄距离的影响。2020年，WAN等采用高速纹影摄影技术捕捉到了氢/空气预混火焰在多孔板组阻火装置内的3种流动现象：“通过”、“淬熄”和“接近极限”。但由于淬熄机理复杂，淬熄过程迅速，所得结果在细节方面仍有不足。

随着计算机和仿真技术的发展，结果详细、可控性强的商用CFD软件已成为解决火焰淬熄问题的主流方法。2014年，温小萍等模拟了瓦斯爆燃火焰在狭缝中的淬熄得到了与周凯元试验相似的结果。2017年，孙少辰等基于波纹型阻火器内火焰淬熄模拟提出了孔隙率和阻火单元厚度对火焰传播的影响机制，张建全等和梁胜龙等则着眼于阻火器的扩张腔和扩张角。然而模拟研究针对阻火芯整体，大都忽略了内部阻火单元的具体形状而将其抽象为孔隙率。BERLAD和POTTER很早就已发现阻火单元的截面形状对阻火效果有着重要影响。喻健良、胡春明、李江涛等学者已对丝网、微型圆管和平板狭缝等结构较为简单的阻火单元进行了二维/三维数值模拟。而应用广泛的波纹型阻火器的阻火单元，研究相对缺失。且由于其结构复杂，难以通过试验取得定量的结果。

因此，笔者针对以往研究的不足，选取波纹阻火器中单一阻火单元为研究对象，基于CFD流体动力学软件模拟不同工况下三维火焰在其内的淬熄过程，进而得出火焰的淬熄机理。研究主要集中在入口火焰速度和壁面温度等对火焰淬熄发展的影响，包括温度、化学反应速率等。本研究有助于指导阻火器的安装设计，为瓦斯的抑燃抑爆提供参考。

1 模型及参数设定

1.1 波纹型阻火器阻火单元物理模型

图1为波纹型阻火器的结构，阻火芯由2层平板夹1层波纹板缠绕而成，板间隙类似于一个个三棱柱狭缝，即波纹型阻火器的阻火单元，火焰的淬熄在这些狭缝内发生。笔者将这些阻火单元统一简化为如图2所示的三棱柱，其长40 mm，截面为边长1 mm的等边三角形，选择波纹板的常用的铝材作为阻火器材料。以当量比为1的甲烷/空气预混气体完全燃烧后所得燃烧产物表示入口处进入的火焰，温度取绝热燃烧温度。基于以往研究，以1 700 K等温面代表火焰面的位置。由于入口爆燃火焰速度极快，燃烧至熄灭的过程短暂，因此模型忽略了热辐射。壁面设置为厚度为0的恒温壁面，这也是研究火焰淬熄时采用较多的设定。

图1 波纹型阻火器结构Fig.1 Structure of crimped ribbon flame arrester

图2 阻火单元几何模型Fig.2 Geometrical model of crimped ribbon flame arrester elements

1.2 大涡模拟和燃烧模型

阻火单元内火焰的传播通常为高速可压缩流。基于这一问题，通过守恒方程经过滤波函数过滤，结合本构方程和状态方程得到描述火焰淬熄过程的大涡模拟(LES)控制方程。在燃烧过程中密度变化较大，为使N-S方程较易封闭，对变量函数釆用密度加权(Favre)过滤。其中，表示过滤后的大尺度分量用上标“-”表示，Favre滤波过滤处理用上标“～”表示。

控制方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

亚格子应力项采用动态Smagorinsky模型求解：

(6)

(7)

(8)

亚格子热流和亚格子组分流采用梯度输运假设求解：

(9)

(10)

燃烧模型采用有限速率/涡耗散(Finite-Rate/Eddy-Dissipation)模型封闭组分守恒方程 (5)。该模型同时考虑到化学反应动力学与湍流混合速率对燃烧时化学反应速率的影响，燃烧速率最终取2种机制影响较小的一方。

(11)

由湍流混合时间尺度控制的反应速率如式(12)所示，取最小值：

(12)

(13)

式中，为指前因子；为温度指数；为反应活化能,J;′为反应物的化学计量系数；为单位质量湍动能耗散率，m/s；为单元湍动能，J/kg；″为生成物的化学计量系数；为物质的分子量；为质量分数；下标为自由标，Rec为反应物，Pro为生成物；和为经验常数，取4.0，取0.5。

边界条件和初始条件见表1，2。

表1 边界条件参数

表2 初始条件参数

火焰的传播和瞬态温度密切相关，取阻火单元中心线上的瞬时温度来验证网格的独立性。如图3所示，选用了10s作为时间步长和301 536个节点的空间六面体网格，此时已满足计算精度，继续提升网格密度计算结果改善并不明显。

图3 0.5 ms时不同网格节点数和时间步长下狭缝中心线上的温度分布Fig.3 Temperature distribution along slit centerline at0.5 ms with different grid densities and time steps

2 模型验证

2.1 试验案例

数值计算结果与以往的平行板甲烷火焰淬熄试验结果进行了比较。试验装置布置如图4所示，由长4 m、宽0.11 m、高0.02 m的激波管和其他试验设备组成。在有机玻璃窗口G段设有长192 mm、宽12 mm的平行板狭缝装置，狭缝间距可调。本试验介质为体积分数为9.50%的甲烷/空气预混气。配气方法是采用静态分压法，试验时向激波管内充预混气采用真空充气的方法，以提高试验的精确度和可重复性。可燃气用电火花在管端点燃，点火能量在0.1～25.0 J调节。从点火处到激波管窗口之间的距离也可以分段改变，通过改变这个距离和点火能量来获得火焰进入平行板狭缝时不同的传播速度。火焰进入狭缝前的传播速度用火焰传感器、电荷放大器及瞬态波形存储器测量获得。不同狭缝间距下火焰淬熄距离经相机B门拍摄观测，考虑信号传递时间和观测玻璃折射率修正后得出。

图4 甲烷/空气预混火焰淬熄试验装置Fig.4 Experimental device of methane/air premixedflame quenching

2.2 模型验证

由于火焰在微细通道的传播存在着共性，采用平行板试验数据同样可以验证笔者数学模型的有效性。因此笔者根据试验设定和结果，建立长40 mm、宽12 mm、狭缝间距0.4～1.2 mm不等的多组几何模型，入口火焰速度和试验一样都为90 m/s，内部为体积分数9.5%的甲烷/空气混合气，其他设定与本文所建立的数学模型相同。如图5所示，以1 700 K等温面观测到的火焰淬熄距离数值模拟结果与试验观测到的对比，结果基本一致，验证了模型的有效性。火焰淬熄距离都随着狭缝间距的增大而增大，且曲线的斜率也逐渐增大。模拟和试验结果间略有误差，这可能是试验条件下火焰的不稳定性和难以准确控制火焰入口速度在90 m/s所导致的。

图5 试验和模拟所得不同狭缝间距下的淬熄距离Fig.5 Quenching distances of experiment andsimulation with different slit sizes

3 甲烷/空气预混气体火焰淬熄过程

本部分重点考查了爆燃火焰在波纹型阻火器中的传播特征，以入口火焰速度60 m/s的甲烷/空气预混火焰为例，探究其在边长1 mm正三角形截面的阻火单元中的传播规律，壁面温度为300 K。

图6为波纹型阻火器阻火元件中线面上的温度分布随时间的变化。从图6可以看出，初始时刻，温度场主要受入口火焰的影响，预混气体被点燃后还未及时与火焰面前未燃气体充分换热，因此在阻火单元径向上出现分层，而在纵向上除靠近壁面处温度基本相同。随着入口处火焰的进入，热量通过热传导和活性中心的扩散等传递到火焰面前方预混气体，靠近火焰表面的气体达到着火点后首先被点燃，燃烧释放的热量继续传递，预热更前方的气体达到燃点。就这样，未反应气体不断被加热进入火焰面，燃烧产物不断离开火焰面，循环往复，使得火焰向前移动。而由于壁面的存在，火焰热损失随着火焰的传播不断增加，在靠近壁面处形成了低温的熄灭层。熄灭层厚度随着热损失的增加逐渐增加，当火焰发展到一定程度时交汇，此时火焰发生淬熄。

图6 中线面温度随时间的变化云图Fig.6 Change of temperature cloud chart onthe midline plane with time

图7为在阻火元件中心线1 mm处，0.3～0.8 ms时的纵向温度变化。可以看到随着火焰的传播，温度场略有萎缩，这是因为火焰刚开始进入阻火单元时，单元内部存在着未燃的预混气体，它们在火焰进入后被点燃并释放热量。而火焰进入三角单元初始时刻速度较快，时间较短，因此还未来得及与壁面进行换热，火焰并不稳定。随着单元内预混气体燃烧殆尽，壁面的散热量增加，火焰逐渐稳定下来，火焰从高温向低温的过渡最终趋于稳定。其中左侧温度降低较为明显；而右侧温度在一开始略有升高，之后才随时间的变化而下降。这是由波纹板阻火器阻火单元的独特形状导致的，温度场的左端贴近截面三角形的底面；右端则贴近三角形的顶端，同时受到两侧壁面夹击，其通过壁面散失的热量大于右侧。且顶部由于碰撞销毁的自由基数量更多，如图8所示，随着火焰的传播，三角形底面更加贴近活化中心因而获得更多燃烧释放的热量；同时顶部空间较小，可供反应的可燃气体也相对底部较少。因此右端淬熄效果优于左端，温度更快趋于稳定。

图7 中线面1 mm处各时刻的温度分布Fig.7 Temperature distribution of differenttime at 1 mm of the midline plane

图8 中线面反应速率随时间的变化云图Fig.8 Change of reaction rate cloud chart onthe midline plane with time

图8为在狭缝中线面上的反应速率云图。燃烧化学反应采用单步不可逆甲烷与氧气燃烧完全反应模型进行描述。从图8可以看到，随着火焰进入阻火单元距离的增长，壁面对火焰的淬熄效果明显，靠近壁面位置的燃烧受到抑制，而入口进入的高温已燃气体影响逐渐下降，火焰锋面附近温度的下降直接导致了燃烧的减弱，反应区域逐渐由一开始与入口等宽的平面逐渐向阻火单元中心收缩，变为一圆曲面，反应速率也随之降低。

火焰的传播速度由火焰的燃烧速度和流体质点的速度组成，燃烧的增强与减弱直接影响火焰锋面的速度变化。由于黏性作用等，入口火焰在传播一段距离后流体质点速度降低，此时火焰的传播速度主要依靠单元内本身所含有可燃气体燃烧所释放的热量来维持。阻火单元内气体是有限的，燃烧释放的热量远低于壁面处的热量损失。随着火焰的传播，更少的可燃气体被点燃，释放的热量更少，燃烧化学反应速率也更低，反应区域逐渐减小，直至火焰熄灭，火焰区域逐渐萎缩至圆锥形。减小燃烧化学反应区域有利于火焰的淬熄，而当阻火单元截面足够大即燃烧化学反应区域足够大时，甚至会出现火焰分离的现象，即混合气燃烧产生的火焰脱离入口处火焰，此时火焰很有可能通过阻火器导致阻火器失效。

4 不同工况下火焰淬熄过程

4.1 入口火焰速度影响下火焰淬熄过程

火焰在管道内的传播是一个加速、加压的过程，在管内火焰传播至阻火器时往往伴随有极快的速度。图9为不同速度火焰在壁温300 K的1 mm边长正三角形截面阻火单元内传播，0.5 ms时刻的温度分布云图以及温度沿狭缝中心线的变化。可以看到入口速度越大，高温区域向前推进的距离越大，火焰传播的更远，此时火焰传播距离近似与速度大小成正比。且入口速度较大的火焰，高温向低温区的过渡区域要稍微厚于入口速度较小的火焰。

图9 0.5 ms时不同入口火焰速度下中线面上的温度云图及狭缝中心线上的温度分布Fig.9 Temperature cloud chart on the midline plane anddistribution along slit centerline at0.5 ms with different inlet flame velocities

图10为0.5 ms时不同入口火焰速度下，反应速率沿狭缝中线的变化。可以看到反应的活化中心基本与温度的过渡层位置一致，都随着入口速度的增加传播得更远。同时反应速率和反应区域的厚度随着入口速度的增大而增大。这是由于入口速度增大，不仅加快了高温区向前传播，还使得火焰拉伸越加明显，同时火焰面更容易发生褶皱，导致火焰锋面的面积更大，与氧气接触发生反应的面积也就更大。这加剧了燃烧反应的剧烈程度，使得反应速率增大；反应速率越大，反应产生的热量也就更多，热量通过热传导等传递给前方未反应气体，使其更快达到着火点，加快了火焰面的传播速度。可以看出，火焰速度与反应速率之间存在一种相互促进的关系，一方面较大的火焰速度促使反应速率增大，而反过来更大的反应速率也加速了火焰的发展。一般来说，狭窄通道中火焰速度越快，单位时间传播距离越远，对前方气体所做推进功也就越大，火焰的动能损失也就越大。在通道截面一定时，其动能损失与火焰传播距离成正比。根据动能定理，随着入口处火焰速度的增加，火焰传播距离的增长速度应逐渐放缓。但由于这种动态的相互促进关系的存在，使得火焰燃烧速率提高，加快了火焰的传播速度，最终呈现出上述传播距离与入口火焰速度成线性关系的现象。

图10 0.5 ms时不同入口火焰速度下狭缝中心线上的反应速率Fig.10 Reaction rate along slit centerline at0.5 ms with different inlet flame velocities

图11为不同壁面温度下淬熄距离随入口火焰速度的变化。入口火焰速度越大，火焰的淬熄距离越远。虽然由于火焰速度与燃烧速率间的相互促进作用，补足了火焰部分动能损失，但随着反应速率的逐渐减小，入口速度较大的火焰动能损失相较速度较低的火焰仍然更多。最终使得图中曲线的斜率逐渐降低，由入口火焰速度的增加导致的淬熄距离增加逐渐放缓。

图11 不同壁面温度下淬熄距离随入口火焰速度的变化Fig.11 Quenching distance of flame with different inlet flamevelocities at different wall temperatures

4.2 壁面温度影响下火焰淬熄过程

阻火器的壁面温度会随着其使用环境和使用次数的变化而变化，因此有必要研究壁温对爆燃火焰在阻火单元内传播的影响。图12为入口速度60 m/s火焰在不同壁面温度 (300，450，600，750 K) 的1 mm边长正三角形截面阻火单元内传播，0.5 ms时刻的温度分布云图以及温度沿狭缝中心线的变化。可以看到壁面温度越大壁面处的温度梯度越不明显，同时高温区域的宽度和火焰向前推进的距离越大，说明壁面温度越大越有利于火焰在狭缝中的传播。与图9(b)中不同入口火焰速度下观察到的高温段不同，图12(b)中火焰的高温段几乎完全重合，仅在温度梯度变化处出现分离。说明不同壁面温度下，火焰传播距离的增加主要是高温向低温的过渡区域厚度的增加。

图12 0.5 ms时不同壁面温度下中线面上的温度云图和狭缝中心线上的温度分布Fig.12 Temperature cloud chart on the midline plane anddistribution along slit centerline at 0.5 ms with differentwall temperatures

图13为不同壁面温度下的反应速率云图。随着壁温的增加，反应活化中心更加靠前。反应活化中心的最大反应速率基本都在0.8 kmol/(m·s)左右，且反应速率在0.35 kmol/(m·s)以上的区域面积基本一致，靠近壁面两侧的反应速率增加较为明显。这导致火焰传播初期壁面温度对火焰的燃烧速度的影响并不大。

图13 0.5 ms时不同壁面温度下中线面上的反应速率云图Fig.13 Reaction rate cloud chart on the midlineplane at 0.5 ms with different wall temperatures

图14为狭缝中线1 mm处0.5 ms时不同壁面温度下的纵向温度变化。可以看到，虽然狭缝两侧受壁面影响，温度各不相同，但在纵向上0.2～0.6 mm的部分温度基本保持一致。这也就解释了为何壁面温度在火焰传播过程中对反应活化中心的影响并不大。虽然壁面温度的增加有利于未燃反应气体的预热，但其值仍然远小于传播过程中甲烷/空气爆燃火焰的温度，预热效果有限。而高温的已燃气体的热传导和燃烧释放的热量巨大，这是造成未燃气体预热和火焰传播的主要原因。