障碍物与管道壁面间距比对瓦斯爆炸传播特性的影响*

余明高，刘 磊，郑 凯，苏 洋，滕 飞，刘 洋

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室，重庆 400044)

0 引言

瓦斯爆炸是煤矿灾害最严重的事故之一，一旦发生往往会造成大量人员伤亡和巨大经济损失[1]。为了减少瓦斯爆炸事故带来的经济损失，瓦斯燃烧机理和传播特性一直是国内外学者研究的热点。张英浩、邓军、罗振敏等[2-5]在小型管道对瓦斯爆炸过程中的特征参数进行了实验研究，得出爆炸压力变化的过程可以划分成4个阶段，而爆炸火焰传播是一突变过程的结论；Fairweather和Chen等[6-8]对甲烷-空气爆炸的火焰传播状态进行了实验研究，发现只有当火焰传播至爆炸后期才形成传播速度较快的湍流状态；层流-湍流转变是火焰结构变化的根本原因。然而在煤矿井下和工业生产过程中不可避免的存在一些类似障碍物的生产设备，这些设备对瓦斯爆炸火焰传播特性有着重要的影响，因此研究障碍物对瓦斯爆炸火焰传播特性的影响有着极其重要的研究意义。Masri，Ciccareli，王成、蔺照东等[9-13]对可燃预混气体的浓度和障碍物的形状、阻塞率、位置、表面情况进行了研究，发现可燃预混气体的浓度和障碍物的形状、阻塞率、位置和表面情况都会影响火焰的传播特性；Phylaktou、Vishwakarma和Wen等[14-16]针对挡板、障碍物的放置方式等对甲烷-空气混合物爆炸特性的影响进行了研究，发现当火焰越过障碍物时被拉伸和褶皱，导致火焰传播速度增大，爆炸超压升高；随着障碍物数量的增加，爆炸火焰速度和超压峰值明显增大，交错障碍物对甲烷爆炸火焰前锋位置，火焰速度和爆炸超压等有显著的影响；丁以斌等[17]对甲烷/空气混合气体在立体结构的障碍物作用下的爆炸传播特性进行了研究，发现与火焰作用面积越多且能够使爆炸传播火焰分叉的立体障碍物对可燃气体爆炸特性的影响较大；Zheng等[18]研究不同中空形状的方形孔板障碍物对瓦斯爆炸火焰传播特性，发现与方形孔板、圆形中孔板相比，三角形中空板障碍物能够产生较大的爆炸压力和火焰传播速度；郭丹彤等[19]运用3D动态流体动力学软件AutoReaGas建立障碍物截面不同变化方式和趋势的爆炸模型，发现障碍物截面的2种渐变方式对可燃气体的爆炸参数有很大影响。

从以上的研究可以看出，许多学者对障碍物的阻塞率、间距和数量，以及障碍物的形状进行了大量的研究。矿井井下设备与巷道壁面的间距对预混气体爆炸有何影响，在该方面的研究相对较少。本文以体积分数9.5%的甲烷-空气混合气体为研究对象，运用自建的瓦斯爆炸实验平台，研究障碍物与管道壁面间距比的改变对瓦斯爆炸火焰传播特性的影响，分析爆炸压力和火焰传播速度规律，为工业和井下设备的安装提供实验依据。

1 实验步骤

实验系统是由爆炸实验管道，点火系统，配气系统，图像采集系统，光电和压力信息采集系统等，如图1所示。实验管道为方形有机玻璃管道，长1 000 mm，截面宽为100 mm，右侧封闭，另一端采用PVC膜进行密封。利用德国Lavision4G高速摄像机进行图片采集，图像采集频率为2 kHz，主要记录瓦斯爆炸火焰锋面在管道传播过程，用于计算火焰的速度。利用Keller PR-23型高频压力传感器采集爆燃超压，压力传感器的采集范围为-0.1～0.2 MPa，时间响应为0.02 ms，最大采集频率为50 kHz，安装在实验管道最大压力位置的右侧封闭端[20]。RL-1红外光电传感器，用于记录点火的开始时刻，压力和光电传感器通过USB-1208FS型数据采集卡进行采集，采样频率为15 kHz。点火系统使用自制的高频脉冲点火器，点火电压为6 V，点火能量为0.2 J，放置在管道右侧封闭端。实验采用排气法进行预混气体的充气，利用2个质量流量计控制气体，配置成9.5%的预混气体，甲烷气体流量为0.76 L/min，空气气体流量7.24 L/min，充气6 min。

图1 实验系统Fig.1 The experimental system diagram

实验管道内设置2处障碍物安装位置，分别距离管道右端200，400 mm处。障碍物种类是由3种不同阻塞率的长方平板构成，其宽度分别为30，50，70 mm，有着相同的长度和厚度，且长度和厚度分别为100，10 mm。实验采用的管道为轴对称结构，障碍物物与管道壁面存在2个间距值，以这2个间距值较小的值作为研究值，即实验的间距比(φ)表示：

式中：Vmin为障碍物与管道壁面间距较小的值；Vmax为障碍物与管道壁面间距较大的值。

3种不同阻塞率的长方形平板障碍物在管道截面安放的位置如图2所示。

图2 长方形平板障碍物在管道截面的安放情况Fig.2 Rectangular obstacles placed in the pipe cross section

障碍物下壁与管道下壁的距离为0时，记为工况一；障碍物下壁与管道下壁间距为a时，记为工况二；当障碍物下壁与管道下壁间距为b时，记为工况三，其中不同阻塞率的长方平板障碍物所对应a，b的数值大小如表1所示。不同阻塞率的障碍物可以构成具有相同间距比的工况一、工况二、工况三，对应的间距比分别为0，0.25，0.5。

表1 3种不同阻塞率长方形平板移动距离a，b数值Table 1 Three different blocking rate of rectangularplate moving a, b values

2 结果与讨论

2.1 管道与障碍物壁面间距变化对爆燃超压的影响

如图3所示相同阻塞率不同工况下的爆燃超压曲线图。对不同工况的压力曲线，在爆炸前期压力变化相似，上升的比较缓慢，且经历1个压力峰值P0，该峰值主要是由于管道末端密封膜破裂泄压所产生，P0为PVC膜破裂的压力值。压力经历短暂的缓慢加速之后，开始急速增加，同时不同工况的压力曲线变化出现差异，主要是障碍物与火焰的相互作用，使得压力曲线出现差异。达到峰值之后的压力曲线急剧下降，之后震荡变化。从压力曲线图上可以看出：随着间距比的增加，爆燃峰值压力在增加，同时达到最大爆燃压力极值的时间总体也在提前。如图4所示，预混气体达到最大爆炸压力时刻的火焰锋面燃烧图像。在阻塞率相同时，障碍物从工况一(φ=0)到工况三(φ=0.5)变化中，障碍物对火焰锋面结构的作用也发生改变。随着障碍物距离管道壁面间距比的增加，障碍物对火焰锋面拉伸作用越大，使得火焰锋面的燃烧面积增加。火焰燃烧面积决定了燃烧速率，火焰燃烧面积最大时所对应的时刻，就是达到最大的爆炸压力时刻。同时，图4显示爆燃超压达到峰值时刻火焰锋面所在的管道轴向位置，对于阻塞率为70%的障碍物，火焰燃烧锋面在第1个和第2个障碍物之间，对于阻塞率为30%和50%障碍物，火焰锋面绕过了第2个障碍物。出现峰值压力时刻火焰位置都是在与障碍物相互作用之后产生，因而会出现峰值压力时刻的差异。而阻塞率70%的障碍物达到峰值压力时刻差异较小，主要原因是火焰锋面产生最大时刻在2个障碍物之间。相比于2障碍物对火焰的作用，1个障碍物对火焰的作用较小。同时阻塞率过大也是压力差异较小的另外原因。

图3 不同阻塞率不同工况的压力曲线Fig.3 Pressure curves of different cases under different blocking rates

图4 压力峰值时刻火焰燃烧结构Fig.4 Pressure peak time flame burning structure

实验结果显示，阻塞率为70%障碍物在工况三时产生最大168.2 kpa的爆炸压力。主要是由于阻塞率较大，燃烧超压释放受到限制，造成压力较大。对比分析不同阻塞率的障碍物在3种间距比下的峰值压力可知：相比于各自φ=0时的爆燃峰值压力，阻塞率30%的障碍物在φ=0.25处的峰值压力增加21.9%，在φ=0.5处的峰值压力增加61.2%；阻塞率50%的障碍物在φ=0.25处的峰值压力增加55.6%，在φ=0.5处的峰值压力增加101.8%；阻塞率70%的障碍物在φ=0.25处的压力峰值增加53.8%，在φ=0.5处的峰值压力增加93.3%。从对比结果可以看出，阻塞率为50%障碍物的峰值压力增量比受间距比改变影响最大。阻塞率为50%时，障碍物会对可燃预混气体产生最大的爆炸压力影响[21]。结合火焰传播图像，分析间距比的改变对爆燃超压的影响，如图5所示 50%的障碍物3种工况火焰传播图。随着障碍物与管道壁面间距比的增加，燃烧火焰锋面通过障碍物的方式发生改变。从图5可以看出，火焰在3种工况下绕过障碍物的传播情况，工况一(φ=0)，火焰只从管道上侧通过，同时在管道下壁侧有较大的未燃区域；工况二(φ=0.25)，火焰主要是从管道上侧通过，下侧经过的火焰相对较少，且火焰通过障碍物上下两侧的时间有所差异；工况三(φ=0.5)，火焰经过障碍物上下两侧，且通过时间大致相似。火焰在3种工况下表现出不同的传播结构，是由于障碍物与管道壁面间距不同，造成障碍物与火焰相互作用的结果有所差异。障碍物与管道壁面间距的变化，改变火焰锋面经过障碍物时的拉伸情况，同时也会造成未燃气体在湍流程度的差异，火焰锋面拉伸越大、未燃气体湍流程度越强，火焰的燃烧效率也就越大。从图3可以看出，3种阻塞率的障碍物，在工况三的情况下能够产生最大爆燃超压，因此当障碍物将经过的火焰均匀分散时，障碍物对火焰传播特性的影响最大。

图5 阻塞率50%障碍物在不同间距比下的火焰传播结构Fig.5 Flame propagation structure of obstruction ratio 50% under different spacing ratios

图6 障碍物作用下火焰传播速度曲线Fig.6 Flame propagation velocity curve under obstacle

2.2 管道与障碍物壁面间距的改变对火焰传播的影响

如图6和图7所示，可以将火焰传播过程分为2个阶段：第一阶段是平稳传播阶段，在实验管道上对应位置为从点火源到第1个障碍物处；第二阶段是震荡上升传播阶段，在实验管道上对应位置为从第1个障碍物到管道出口处。在火焰传播的第一阶段，火焰传播速度平稳增加，且加速度较小，可以认为该阶段为层流燃烧阶段。在火焰传播的第二阶段，火焰传播速度经历3次加速过程，2次减速过程，且3次加速的加速度在逐渐增加。火焰速度的前2次加速，主要是火焰锋面受到传播截面的变小，导致火焰锋面在爆燃压力驱使下挤压通过变小的截面，造成速度的增大。火焰传播速度经过2次降低，主要是传播空间的变大，挤压作用变小，同时火焰锋面受到湍流卷吸的作用，锋面火焰速度降低。第3个加速度的出现，主要是在经过2个障碍物之后，在较强的湍流作用下，火焰的燃烧相对比较充分，同时泄爆管口的约束较小，速度开始第3次增加。从图7中可以发现，阻塞率为50%的障碍物在不同间距比作用下，火焰第3次加速位置有所不同，主要是火焰在经过2次的障碍物作用之后，火焰传播速度出现差异，所以加速的位置有所不同。图7显示，间距比的改变，在第2个障碍物之前对火焰速度的影响不大，火焰经过第2个障碍物之后，火焰传播到相同位置时速度出现一定的差距。主要是因为在经过2个障碍物之后，火焰的燃烧曲面，以及未燃气体湍流程度都有增大。在通过第2个障碍物以后，燃烧火焰与未燃气体有很好地相互作用空间，同时管道出口处泄压膜的破裂，火焰在管道轴向传播限制较少，火焰发展较快，使得障碍物在管道截面位置的改变对速度的影响有所体现。

图7 阻塞率50%的障碍物作用下火焰传播曲线Fig.7 The flame propagation curve under the blockage ratio of 50%

从图7中可以看出，不同阻塞率障碍物间距比从φ=0到φ=0.5的改变过程中，火焰锋面传播平均速度总体是在增加。如图8所示，对于阻塞率为30%和50%的长方形平板障碍物，2种随着间距比的增大到达出口的时间逐渐提前，阻塞率70%的障碍物在不同间距比下的平均火焰传播速度相同，但出口处的速度有所差异。

图8 不同工况达到出口时刻Fig.8 Different cases to reach the export time

火焰传播速度(vf)计算公式[22]：vf=vu+Sl

式中：vu为未燃气体在火焰面的垂直方向上的运动速度；Sl预混气体的燃烧速度。

由公式可以看出火焰传播速度是由2个参数决定。当障碍物与火焰相互作用时，会增加未燃气体的燃烧速度，因而会引起爆炸压力增大。实验过程采用的是泄爆管道，当泄爆膜破裂时，爆炸压力在管道轴向的传播受到的限制较小，压力波会驱使未燃气体的传播。因此爆炸压力的大小决定着未燃气体传播速度，爆燃压力越大，对未燃气体的作用越强，未燃气体传播速度越大。障碍物与火焰的相互作用，同时改变了未燃气体的传播速度和燃烧速度，因此火焰传播速度会增加。当障碍物与管道壁面的间距发生变化时，障碍物对火焰的拉伸和卷吸也发生改变，燃烧效率发生改变，形成壁面间距的改变对火焰传播速度的差异。

3 结论

1)随着间距比的增大，障碍物对预混气体爆炸特性的影响也就越大。其中当障碍物在管道中心位置使传播火焰均匀分散时，对瓦斯爆燃特性的影响最大。

2)间距比的改变对爆炸压力增量比的变化是随着障碍物阻塞率的增大呈现先增大后减小的趋势。障碍物与管道壁面间距比改变，对阻塞率50%的障碍物爆炸压力增量比的影响最大，相比于间距比为0时的爆燃超压，间距比为0.25和0.5的爆燃超压分别增加了55.6%，101.8%。

3)当障碍物阻塞率不超过50%时，平均火焰传播速度随间距比的增加而增大；当障碍物阻塞率超过50%时，平均火焰传播速度基本不变。

[1] 林柏泉, 叶青. 煤矿瓦斯爆炸研究现状及综合分析[C]//2007中国(淮南)煤矿瓦斯治理技术国际会议论文集.徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2] 张英浩, 王志杰. 管道内瓦斯爆炸压力的传播研究[J]. 工业安全与环保, 2009, 35(1): 43-44.

ZHANG Haoying，WANG Zhijie. Study on the spread of gas explosion pressure in pipeline[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2009, 35(1):43-44.

[3] 邓军, 李会荣, 杨迎, 等. 瓦斯爆炸微观动力学及热力学分析[J]. 煤炭学报, 2006, 31(4): 488-491.

DENG Jun, LI Huirong, YANG Ying, et al. Microcosmic dynamics and thermodynamics analysis of fire damp explosion[J]. Journal of China Coal Society, 2006,31(4):488-491.

[4] 罗振敏, 邓军, 郭晓波. 基于Gaussian的瓦斯爆炸微观反应机理研究[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2008, 27(3):325-328.

LUO Zhenmin, DENG Jun, GUO Xiaobo. Microcosmic mechanism of gas explosion based on Gaussian[J]. Journal of Liaoning Technical University( Natural Science), 2008,27(3):325-328.

[5] 罗振敏, 邓军, 文虎, 等. 小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究[J]. 中国安全科学学报, 2007, 17(5): 106-109.

LUO Zhenmin, DENG Jun, WEN Hu, et al. Experimental study on flame propagation characteristics of gas explosion in small-scale duct[J]. China Safety Science Journal, 2007,17(5):106-109.

[6] Fairweather M, Ibrahim S S, Jaggers H, et al. Turbulent premixed flame propagation in a cylindrical vessel[J]. Symposium on Combustion, 1996, 26(1): 365-371.

[7] Fairweather M, Hargrave G K, Ibrahim S S, et al. Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J]. Combustion & Flame, 1999, 116(4): 504-518.

[8] Chen X, Zhang Y, Zhang Y. Effect of CH4-Air ratios on gas explosion flame microstructure and propagation behaviors[J]. Energies, 2012, 5(12):4132-4146.

[9] Masri A R, Ibrahim S S, Nehzat N, et al. Experimental study of premixed flame propagation over various solid obstructions[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2000, 21(1-3):109-116.

[10] Ciccarelli G, Fowler C J, Bardon M. Effect of obstacle size and spacing on the initial stage of flame acceleration in a rough tube[J]. Shock Waves, 2005, 14(3):161-166.

[11] Wang C, Huang F, Addai E K, et al. Effect of concentration and obstacles on flame velocity and overpressure of methane-air mixture[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 43:302-310.

[12] 王成, 回岩, 胡斌斌,等. 障碍物形状对瓦斯爆炸火焰传播过程的影响[J]. 北京理工大学学报, 2015(7):661-665.

WANG Cheng, HUI Yan, HU Binbin, et al. Effect of obatacle shape on gas explosion flame propagation process[J]. Transaction of Beijing Institute of Technology, 2015(7):661-665.

[13] 蔺照东, 李如江, 刘恩良,等. 障碍物对瓦斯爆炸冲击波影响研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2014(2):28-32.

LIN Zhaodong, LI Rujiang, LIU Enliang, et al. Study on effect of obstacles to shock wave of gas explosion[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014(2):28-32

[14] Phylaktou H, Andrews G E. The acceleration of flame propagation in a tube by an obstacle[J]. Combustion and Flame; (United States), 1991, 85(3): 363-379.

[15] Vishwakarma R K, Ranjan V, Kumar J. Comparison of explosion parameters for Methane-Air mixture in different cylindrical flameproof enclosures[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 31(31): 82-87.

[16] Wen X, Yu M, Ji W, et al. Methane-air explosion characteristics with different obstacle configurations[J]. International Journal of Mining Science & Technology, 2015, 25(2): 213-218.

[17] 丁以斌, 肖福全, 宣晓燕,等. 立体结构障碍物的不同放置方式对甲烷预混火焰传播的影响[J]. 煤炭学报, 2012, 37(1):137-140.

DING Yibin, XIAO Fuquan, XUAN Xiaoyan, et al. Deposited manner of solid structure obstacles influence on flame propagation in premixed-methane tube[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(1):137-140

[18] Yu M, Zheng K, Chu T. Gas explosion flame propagation over various hollow-square obstacles[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2016, 30:221-227.

[19] 郭丹彤, 吕淑然. 受限空间障碍物截面变化对混合气体爆炸特性参数的影响研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2016, 12(2):83-87.

GUO Dantong, LV Shuran. Research on influence to characteristic parameters of mixed gas explosion by section variation of obstacle in confined space[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(2):83-87.

[20] Hall R, Masri A R, Yaroshchyk P, et al. Effects of position and frequency of obstacles on turbulent premixed propagating flames[J]. Combustion and Flame, 2009, 156(2): 439-446.

[21] 余立新, 孙文超, 吴承康. 障碍物扰动对预混火焰发展的影响[J]. 中国科学:技术科学, 2003, 33(5):420-428.

YU Lixin, SUN Wenchao, WU Chengkang. Effects of disturbance on the development of premixed flame[J]. Science in China(Series E), 2003,33(5):420-428.

[22] 温小萍. 瓦斯湍流爆燃火焰特性与多孔介质淬熄抑爆机理研究[D]. 大连:大连理工大学, 2014