激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性及影响因素*

梁运涛,曾 文

(1.煤炭科学研究总院沈阳研究院煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 沈阳110016;2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072)

1 引 言

矿井瓦斯爆炸是煤矿灾害中的一类重大恶性事故。在我国随着煤炭产量逐年提高,国民经济对于煤炭能源的需求越来越大,近年来煤矿瓦斯爆炸事故呈上升趋势,每年都有死亡近百人的恶性事故发生[1-2]。瓦斯爆炸在瓦斯浓度分布、引爆方式和强度极限、空间几何特性及尺寸效应等条件具备后,由爆燃过程转变为爆轰过程[3]。瓦斯爆轰对煤矿矿井的破坏效应要比爆燃大得多,原因在于爆轰会出现冲击波,爆温、爆压和爆速的量级较高。气相爆轰波的传播是由于前驱激波压缩和加热未燃气体,发生迅速的化学反应;而化学反应释放的能量又用来供给激波的传播。同时,爆轰过程中化学反应是有限速率的,在诱导阵面和能量释放区之间存在诱导区[4]。对激波诱导爆炸性燃料点燃过程的深入研究,从安全角度来看有着十分重要的意义[5-6]。实验研究一直是爆炸事故过程的规律和机理研究的基本手段。与实验相比,数值模拟则具有快速、经济的优点,而且随着计算机技术和计算流体力学理论的不断发展,数值仿真的精度和经济性还在不断提高,已经成为对爆炸过程进行重现和研究的重要手段[7-8]。

本文中,对激波诱导瓦斯爆炸过程中温度、压力的变化历程、气相爆轰波的传播速度、反应物摩尔分数、促使瓦斯爆炸的自由基摩尔分数及瓦斯爆炸后部分有毒气体摩尔分数的变化进行详细分析;同时,对影响激波管中瓦斯爆炸的动力学特性及部分有毒气体摩尔分数变化的因素进行分析,为矿井安全设计、防控瓦斯爆炸提供参考。

2 物理模型

主要对激波管中激波诱导瓦斯爆炸过程的动力学特性进行分析。激波管是一种广泛应用于分析可反应气体的化学动力学行为特性的实验器材[9]。在激波管中,通过1 层薄膜把整个管道分为高压区域(诱导气体)与低压区域(可反应气体)。当高压气体发生爆炸时将形成冲击波(激波),冲击波冲破薄膜,向可反应气体方向传播,提高温度和压力,诱发化学反应,从而发生爆炸。激波管的物理模型如图1,图中us 为冲击波速度,激波管右侧为未反应混合气,激波管左侧为激波过后已反应或爆炸气体。

3 数学模型

图1 激波管示意图Fig.1 Schematic diagram of the shock tube

假设激波管中的气体流动为绝热,同时,忽略横向截面上与质量扩散、热传导及粘度影响相关的输运现象。一维流动的连续性方程、组分方程、动量方程和能量方程分别为[10]

其中

边界条件采用层流边界条件

简要计算流程如下:先由CHEM KIN Ⅲ程序包中的CHEM KIN IN TERPRETE R 程序块读入化学反应详细机理和热力学数据,生成CHEM KIN.ASC 输出文件,然后用S HOCK 主程序调用该输出文件和另一个输入文件,该输入文件为计算模型的初始计算条件和计算迭代的设置,进行控制方程的求解,最后生成一输出文件。其中SHOCK 中对刚性的常微分方程的求解主要调用了求解器LSODE。

4 化学反应机理

计算采用的甲烷燃烧化学动力学详细机理见文献[11],包括53 种组分、325 个反应。这个机理得到了大量的验证,基本与实验结果相吻合。表1 列出了部分关键反应基元步。

表1 瓦斯爆炸化学反应详细机理(部分反应基元步)Table 1 The detailed reaction mechanisms of gas explosion

5 计算结果与分析

瓦斯爆炸发生的3 个条件为[12]:(1)甲烷与空气混合气体中,甲烷的体积分数为0.04 ～0.16;(2)氧气体积分数大于0.12;(3)高温热源(温度高于650 ℃)存在的时间大于瓦斯的引火感应期。在本文计算中,利用激波提供能量来替代高温热源。激波管中混合气初始条件分别为:T0=300 K,p0=0.6 kPa,φCH4=0.10,φO2=0.18,φN2=0.72,us=2.8 km/s,激波管直径d=3.0 cm。

5.1 激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性分析

图2 显示了激波诱导瓦斯爆炸过程中温度、冲击波传播速度的变化历程。从图2(a)可以看出,冲击波到达初始混合气瞬间释放出巨大能量,使初始混合气温度从初始的300 K 骤然上升为2 950 K左右,从而引发初始混合气的化学反应。当反应时间为2 μs 左右时,由于支链反应所生成的活化中心摩尔分数越来越高(见图3),从而引发瓦斯爆炸,温度急剧上升。当激波管中的甲烷消耗完全后(见图3),即反应时间在5 μs 左右时,温度达到峰值,为3 400 K 左右。随着反应时间的继续延长,温度基本维持稳定。当冲击波到达初始混合气时,激波尾部将以音速反向进入高压混合气(图1 中的反应产物区),从而降低激波在管中的传播速度,如图2(b)所示。当初始混合气被引爆的瞬间,激波的传播速度骤然增加,在极短的时间内达到峰值,然后虽略有下降,但下降幅度较小。

图3 显示了激波诱导瓦斯爆炸过程中反应物摩尔分数及促进瓦斯爆炸的活化中心摩尔分数的变化历程。从图3(a)可以看出,冲击波到达初始混合气后,提高了温度与压力(见图2),诱发了化学反应,从而引发爆炸。在此过程中甲烷与氧气摩尔分数迅速降低,甲烷在5 μs 时已由初始的0.01 降低到接近为零,氧气在10 μs时已由初始的0.18 低为0.02 左右,然后维持稳定。冲击波到达初始混合气后,甲烷将发生支链反应,生成HO 2、H、O 等自由基,而H 自由基与O 自由基进一步生成OH 自由基。这些自由基活性很大,在反应链中形成活化中心,而活化中心摩尔分数是引发瓦斯爆炸的关键环节。从图3(b)可以看出,在瓦斯爆炸前的瞬间,H 自由基与O 自由基摩尔分数急剧上升,从而形成摩尔分数极高的活化中心,引发瓦斯爆炸。

图2 温度、冲击波传播速度的变化历程Fig.2 The variational currents of temperature and the velocity of shock w ave

图3 反应物、活化中心摩尔分数的变化历程Fig.3 The variational currents of mole fractions of reactants and active centers

图4 显示了激波诱导瓦斯爆炸过程中部分致灾性气体的生成与演变历程。

NO 是一种极不稳定的气体,在常温下能很快与空气中的氧化合成。当NO 2 与CO 共存时,毒性更强。NO 2 对人体的毒害与摩尔分数和作用时间有关。的摩尔分数达到6×10-5时,咳嗽、胸部作痛;达到10-4时,恶心、呕吐;达到2.5×10-4时,短时间内死亡。从图4(b)可以看出,瓦斯爆炸后NO 的摩尔分数达到了10-3左右,NO 2 的摩尔分数则在10-6左右。

图4 部分致灾性气体摩尔分数的变化历程Fig.4 The variational currents of mole fractions of catastrophic gases

5.2 初始压力对激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性的影响

瓦斯爆炸前混合气初始压力是一个重要影响参数。在实际过程中,通常突然发生大面积的瓦斯冒出,瓦斯的压力较大,并且巷道比较狭窄,通风条件不好,那么意味着巷道中瓦斯空气混合气体的压力和体积分数升高,初始压力发生了变化,通常大于0.1 M Pa,有时局部达0.5 M Pa 左右。因此,忽略初始压力研究瓦斯爆炸过程必然会带来误差,初始压力对瓦斯爆炸的发生和传播是不可忽略的因素。

图5 显示了初始压力对激波诱导瓦斯爆炸过程中温度、压力变化历程的影响。从图5(a)可以看出,随着瓦斯爆炸前初始压力的提高,瓦斯引爆时间将缩短,爆炸后温度将降低。当初始压力为0.4 kPa 时,瓦斯引爆时间为3 μs 左右,而当初始压力提高到0.8 kPa 时,瓦斯引爆时间缩短为1 μs 左右。初始压力提高0.4 kPa,瓦斯引爆时间将缩短2 μs左右。同时,如图5(b)所示,随着初始压力的提高,爆炸后压力将急剧升高。当初始压力为0.4 kPa 时,爆炸后压力为30 kPa 左右,当初始压力为0.8 kPa 时,爆炸后压力上升为60 kPa 左右。

图5 初始压力温度、压力变化历程的影响Fig.5 The effects of initial pressure on the variational currents of temperature and pressure of shock w ave

图6 初始压力对反应物、活化中心摩尔分数变化历程的影响Fig.6 The effects of initial pressure on the variational currents of mole fractions of reactants and active centers

图6 显示了初始压力对激波诱导瓦斯爆炸过程中反应物及部分活化中心摩尔分数变化趋势的影响。从图6(a)可以看出,随着初始压力的提高,甲烷完全消耗所需的反应时间将缩短。当初始压力为0.4 kPa 时,甲烷完全消耗的反应时间为9 μs 左右,而当初始压力提高到0.8 kPa 时,甲烷完全消耗的反应时间为4 μs 左右。如图6(b)所示,随着初始压力的提高,活化中心摩尔分数急剧升高的反应时间得到提前,同时,当活化中心摩尔分数达到稳定时,初始压力越高,活化中心摩尔分数也越高,瓦斯爆炸也更加快速与剧烈。

图7 显示了初始压力对激波诱导瓦斯爆炸过程中部分致灾性气体摩尔分数变化趋势的影响。从图可以看出,随着初始压力的提高,CO、NO 摩尔分数急剧升高的反应时间将缩短,爆炸后CO 摩尔分数将有所降低,但NO摩尔分数将有所提高。

图7 初始压力对部分致灾性气体摩尔分数变化历程的影响Fig.7 The effects of initial pressure on the variational currents of mole fractions of catastrophic gases

5.3 初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性的影响

图8 显示了初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸过程中温度、压力变化历程的影响。从图可以看出,随着混合气中甲烷体积分数的降低,瓦斯引爆时间将缩短,爆炸后温度将下降,但是,压力将有所升高。当甲烷的体积分数为0.12 时,引爆时间为3 μs左右;当甲烷的体积分数为0.08时,引爆时间为1 μs 左右。

图8 初始混合气组成对温度、压力变化历程的影响Fig.8 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of temperature and pressure of shock w ave

图9 初始混合气组成对反应物、活化中心摩尔分数变化历程的影响Fig.9 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of mole fractions of reactants and active centers

图9 显示了初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸过程中反应物、活化中心摩尔分数变化历程的影响。从图9(a)可以看出,随着混合气中甲烷体积分数的降低,甲烷完全消耗所需的反应时间将缩短。当甲烷的体积分数为0.12 时,甲烷完全消耗的反应时间为7 μs 左右;当甲烷的体积分数为0.08 时,甲烷完全消耗的反应时间为5 μs 左右,缩短了2 μs左右。如图9(b)所示,随着混合气中甲烷体积分数的降低,O 自由基摩尔分数急剧上升的反应时间将缩短,同时,摩尔分数也将得到大幅提高。

图10 显示了初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸过程中部分致灾性气体摩尔分数变化历程的影响。从图10(a)可以看出,随着混合气中甲烷体积分数的降低,瓦斯爆炸后CO 的摩尔分数将大幅降低。当甲烷的体积分数为0.12 时,爆炸后CO 的摩尔分数为0.09 左右;当甲烷的体积分数为0.08 时,爆炸后CO 的摩尔分数为0.05 左右,降低了0.04。如图10(b)所示,随着混合气中甲烷体积分数的降低,爆炸后NO 摩尔分数将升高。

图10 初始混合气组成对部分致灾性气体摩尔分数变化历程的影响Fig.10 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of mole fractions of catastrophic gases

6 结 论

(1)冲击波到达初始混合气后,诱发瓦斯发生爆炸的时间为2 μs 左右;当反应时间为20 μs 时,CO的摩尔分数为0.07 左右,CO2的摩尔分数为0.02 左右,NO 的摩尔分数为10-3左右,而NO2的摩尔分数则在10-6左右。

(2)在瓦斯爆炸前的瞬间,H 自由基与O 自由基摩尔分数急剧上升,从而形成摩尔分数极高的活化中心,引发瓦斯爆炸。

(3)随着瓦斯爆炸前混合气初始压力的提高,瓦斯引爆时间缩短。初始压力提高0.4 kPa,瓦斯引爆时间缩短2 μs 左右。但是爆炸后温度降低,压力升高。同时,反应结束时CO 的摩尔分数度降低,NO 的摩尔分数则提高。

(4)随着爆炸前初始混合气中甲烷体积分数的降低,瓦斯引爆时间缩短,爆炸后温度下降,但是,压力有所升高。混合气中甲烷体积分数降低0.04,引爆时间将缩短2 μs。同时,反应结束时CO 的摩尔分数降低,NO 的摩尔分数则提高。

[1] T roiani G.Effect of velocity inflow conditions on the stability of a CH4/air jet-flame[J].Combustion and Flame,2009,156(2):539-542.

[2] 李敬民.煤矿井下爆破气体的危害及其预防[J].华北科技学院学报,2005,2:34-36.LI Jing-min.Mine harmful gas that af ter bursting and preventive measures[J].Journal of North China Institute of Science and Technology,2005,2:34-36.

[3] 丁广骧.煤矿巷道瓦斯爆轰理论分析和参数计算[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):37-40.DING Guang-xiang.Theoretical analysis and calculation of methane gas explosion in coal gangw ay[J].Journal of China University of Mining&Technology, 2000,29(1):37-40.

[4] Lu F K,Ortiz A A,Li J M, et al.Detection of shock and detonation w ave propagation by cross correlation[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2009,23(4):1098-1111.

[5] Essen V M,Sepman A V,Mokhov A V,et al.Pressure dependence of NO formation in laminar fuel-rich premixed CH4/air f lames[J].Combustion and Flame, 2008,3:434-441.

[6] Rodat S, Abanades S,Coulié J, et al.Kinetic modelling of methane decomposition in a tubular solar reactor[J].Chemical Engineering Journal, 2009,146(1):120-127.

[7] Oh K H,Kim H,Kim J B,et al.A study on the obstacle-induced variation of the gas explosion characteristics[J].Loss Prevention in Process Indust ries,2001,14:597-602.

[8] 范宝春,雷勇,姜孝海.激波与堆积粉尘相互作用的数值模拟[J].爆炸与冲击,2002,22(3):216-220.FAN Bao-chun,LEI Yong,JIANG Xiao-hai.Numerical simulation of interactions of shock w aves with air/granular material interface[J].Explosion and Shock Waves,2002,22(3):216-220.

[9] 刘向军,陈昊.初始压力对矿井瓦斯爆炸过程影响的理论研究[J].矿冶,2006,15(1):5-9.LIU Xiang-jun, CHEN H ao.Theoretical study on the effects of initial pressure on methane explosion in coal mine[J].Mining&Metallurgy,2006,15(1):5-9.

[10] Mitchell R E,Kee R J.Shock:A general purpose com puter code for predicting chemical kinetic behavior behind incident and reflected shocks[R].SAND82-8205.Sandia National Laboratory, 1998.

[11] Gregory P,Smith D G.Gri-Mech 3.0[EB/OL].http://ww w.me.berkeley.edu/gri_mesh/version30/text30.html,2005/2007.

[12] 陈桢.矿井火区可燃气体爆炸分析[J].煤矿现代化,2005,5:17-18.CH EN Zhen.Analysis on explosion of combustible gases in underground fire zone[J].Coal Mine Modernization,2005,5:17-18.

[13] Pintgen F,Shepherd J E.Detonation diff raction in gases[J].Combustion and Flame,2009,156(3):665-677.