甲烷爆炸传播过程膜状障碍物的激励效应研究*

徐景德，田思雨，刘振乾，冯若尘

(1.华北科技学院 安全工程学院，河北 燕郊 101601；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

瓦斯爆炸事故是煤矿安全生产面临的主要威胁之一[1-3]，激励效应是瓦斯爆炸事故调查及防治必须高度注意的问题[4]。由于煤矿巷道中普遍存在设备设施等各种障碍物，使得巷道有效断面减小[5]。在瓦斯爆炸传播过程中，障碍物阻碍了爆炸冲击波和火焰波的原始传播途径，造成瓦斯爆炸压力和火焰传播速度显著提升[6]，同时紊流度的增加也使燃烧速率迅速提高。障碍物的激励效应直接影响到相关灾害事故的发生与演变，在某些条件下会导致二次爆炸甚至爆轰[7]。目前国内外学者对激励效应方面已经有大量研究，韩蓉等[8]研究了方形狭长密闭空间内存在球体障碍物时火焰及冲击波传播规律；丁建旭等[9]研究了变径圆柱障碍物组与爆轰波的耦合作用机制；郭丹彤等[10]研究了障碍物截面变化对混合气体爆炸特性参数的影响规律；Ciccarelli等[11]分析了障碍物尺寸和间距对粗糙管内火焰加速初始阶段的影响。所做的研究中大多采用铝、钢等材料来模拟矿车、支架等对巷道的阻塞作用，通常阻塞比小于1。

但是实际巷道中还存在另外一种柔性障碍物，在一些巷道中由于通风、防尘等工作的需要，为将空间中2段气流隔开，常采用布匹、隔膜等设置风帘、风障。此时隔膜则作为阻塞率为1的障碍物存在于巷道中。隔膜具有一定的弹性，剪切力较弱，易撕裂，且本身具有燃烧性[12]。膜状障碍物产生的激励效应机理不同于刚性障碍物，一旦发生爆炸，气体爆炸传播过程中通过这种障碍物时压力的变化和对爆炸强度的影响非常重要，对此专家学者所做研究较少。因此，本文通过运用FLACS软件对管道内置薄膜的甲烷气体爆炸过程进行数值模拟，后在此基础上进行了相应工况的实验对比验证，来探究甲烷爆炸传播过程中膜状障碍物的激励效应。

1 膜状障碍物激励效应的机理分析

根据煤矿巷道布置方式，可以建立模型(见图1)，左端封闭，在管道中间设置1块膜状物，将巷道隔成2段，在第1段端部点火，根据气体爆炸点火及传播特性，则此存在膜状障碍物的瓦斯爆炸传播过程可以分成3个阶段。

第1阶段：管道点火及传播过程。当左端火源点火以后，气体爆炸即开始由链式反应进入燃烧阶段。由于燃烧产生的热量，管内压力P迅速升高，由于气体的可压缩性，在压力作用下，形成激波；激波由前驱冲击波和伴随燃烧波组成，燃烧波行进速度决定于火焰速度υ。对于甲烷气体，燃烧波和前驱冲击波之间有一段间隔，也就是说，甲烷一般处于爆燃状态。由于第1段管道前段有隔膜存在，膜状障碍物的抗冲击性强的特性，导致其会阻挡前驱冲击波，产生反射波，两者叠加，会导致爆炸冲击波波阵面压力成倍增加。

图1 机理模型分析Fig.1 Analysis of mechanism model

第2阶段：破膜过程。隔膜的物质特性造成对燃烧波很难阻挡，会很快破裂，因此燃烧波到达隔膜附近，将使隔膜很快破裂，进入第2阶段。燃烧波是一种带有压力的火焰波，导致破膜过程极其短暂。

第3阶段：前驱冲击波和燃烧波进入第2段管道，是处于带压燃烧阶段。经过障碍物时诱发成湍流现象，湍流增大冲击波传播速度，加速未燃气体压缩，使爆炸压力不断上升[13-14]。火焰在障碍物附近形成高梯度的粘性边界层，火焰阵面扭曲拉伸，这导致燃烧速度加快，前驱冲击波和燃烧波距离迅速缩短，在可能情况下，2个波阵面融合在一起，导致爆轰现象发生。与没有设置隔膜相比，在管道出口处，压力和火焰速度增加几倍甚至几十倍，形成新的激励现象。

2 数值模拟

根据膜状障碍物激励效应形成机理分析，采用FLACS软件，对弱点火源引发下的管道内甲烷气体爆炸传播过程中遇到膜状障碍物的激励效应过程进行数值模拟。模拟采用的物理模型(见图2)为实验室平直矩形激波管道，所用实验管内径为180 mm，管壁厚10 mm，每段爆炸激波管长度均为2.5 m，共14段，管长为35 m，最右端连接泄爆仓。

图2 实验物理模型Fig.2 Experimental physical model

2.1 边界条件设置

结合实验平台，在CASD处理器中设置相应物理模型，建立管外径为200 mm×200 mm，内径为180 mm×180 mm的三维矩形管道，壁厚10 mm，物理模型见图3。

图3 物理模型Fig.3 Physical model

第1区域端部点火的点火能量设置为5 J。同时进行了以下合理的简化假设：

1)点火前矩形管道内为甲烷气体和空气均匀的混合理想气体且混合气体处于常温常压静止状态，甲烷浓度采用最佳浓度比9.5%。管道内预混气体满足理想气体状态方程。

2)甲烷爆炸过程为绝热过程，管道壁面设置为光滑绝热壁面，温度为300 K。忽略预混气体与壁面及外界的热交换。

3)忽略壁面与甲烷气体流动的流固耦合作用，壁面处理为刚性壁面[15]。

4)假设甲烷爆炸反应为单步不可逆过程，忽略反应过程的中间产物。

5)冲击波遇到薄膜时实际上会产生振荡，薄膜并非被冲击波一次冲破，由于薄膜易被击穿，本文对此进行简化处理，忽略冲击波的多次振荡作用。

2.2 模拟过程及结果

为提高软件的计算速度，环境温度设为20℃，设置网格尺寸为0.02 m×0.02 m×0.02 m，在X，Y，Z轴方向上分别划分1 777，11，11根网格线，模型共划分为215 017个网格。

分别进行工况0管体中无膜、甲烷浓度为最佳浓度比9.5%和工况1在管体21.38，35.18 m处加膜，甲烷浓度分别为9.5%，5.5% 2种工况下甲烷爆炸传播过程的数值模拟。点火点为管道最左端(0.01,0.11,0.11)处。模拟过程中对薄膜障碍物的处理选择泄压板面板，类型为弹窗，子尺寸为0.18 m×0.18 m，面积和重量分别为0.032 m2和0.050 kg/m2，阻力系数设为2.000。在管道模型中共定义14个观测点，观测点的位置分别为：MP1(34.08,0.11,0.19), MP2(31.80,0.11,0.19),MP3(29.3,0.11,0.19),MP4(26.8,0.11,0.19),MP5(24.3,0.11,0.19),MP6(18.16,0.11,0.19),MP7(14.83,0.11,0.19),MP8(9.83,0.11,0.19),MF1(34.08,0.11,0.03),MF2(31.80,0.11,0.03),MF3(29.3,0.11,0.03),MF4(26.8,0.11,0.03),MF5(24.3,0.11,0.03),MF6(18.16,0.11, 0.03)。观测点示意如图4所示。

图4 观测点示意Fig.4 Schematic diagram of observation points

FLACS软件在每个单元格内计算气体的燃烧和爆炸运动过程，整合所有单元格，最后得到整个模拟空间的爆炸结果[16]。输出2种工况下主要观测点的爆炸超压和火焰传播速度随时间的变化，如图5～6所示。

3 实验研究

本次实验研究以封闭的平直矩形激波管(见图7)为研究对象，所用实验管道总长35 m，每段爆炸激波管长度均为2.5 m,共14段，最右端连接泄爆仓。在泄爆仓前端即距火源距离35.18 m处对激波管进行BOPP薄膜隔膜处理，以充入一定浓度的甲烷气体。在管道的21.38,35.18 m处分别放置BOPP薄膜用作模拟阻塞率为100%的可破坏性障碍物。该薄膜将矩形管道分为2个区域，并从第1区域的左端进行电点火，点火能量采用5 J。本实验在爆炸激波管同一轴向位置，分别安装10个压力传感器和6个火焰传感器。压力传感器安装在管道上侧，火焰传感器安装在管道下侧[17]。10个压力传感器安装的位置距离点火端的距离依次为：6.25,8.75,13.75,16.25,18.75,23.75,26.25,28.75,31.25和 33.75 m；6个火焰传感器安装的位置距离点火端的距离依次为：6.25,8.75,13.75,16.25,26.25和28.75 m；BOPP薄膜置于管道末端与泄爆仓连接处，以在封闭管道内充入一定浓度的甲烷-空气预混气体。

甲烷浓度比为9.5%时反应最为激烈，故此次实验采用最佳甲烷浓度比为9.5%。当甲烷浓度为9.5%时，各物质的质量分数计算结果如下：

ω(CH4)=0.053；ω(O2)=0.21；ω(N2)=0.737；ω(CO2)=ω(H2O)=0

图5 主要观测点爆炸超压变化Fig.5 Variation of explosion overpressure at main observation points

图6 主要观测点火焰速度变化Fig.6 Variation of flame velocity at main observation points

图7 激波管道Fig.7 Shock wave tube

本实验工况0是矩形管道内充满浓度为9.5%的甲烷-空气预混气体，初始时刻时ω(CH4)=0.053；ω(O2)=0.21；ω(N2)=0.737；ω(CO2)=ω(H2O)=0。工况1是夹膜前段区域与夹膜后段区域内所充甲烷-空气预混气体浓度分别为9.5%和5.5%。

实验在常温常压下进行，预混气体爆炸发生后，激波管内压力波和火焰波分别作用在压力传感器和火焰传感器上，并通过传感器转化为电信号并储存在数据采集卡上[18]。通过数据采集系统采集到的压力和光信号，分析管道内压力变化和火焰传播速度[19]，得到2种实验工况中位置-压力/压力速度曲线与火焰速度曲线，如图8，9所示。

图8 位置-压力/压力速度曲线Fig.8 Curves of position-pressure/pressure-velocity

图9 火焰速度曲线Fig.9 Curves of flame velocity

4 结果对比分析

模拟结果和实验结果均采用1组无膜工况和加入薄膜工况进行对比，将应用 FLACS软件对该爆炸过程进行数值模拟的结果与实验所测得的结果相比较，二者对比表明爆炸超压的峰值与火焰传播速度趋势基本吻合，冲击波在遇到可破坏障碍物发生破膜后，火焰传播速度极大地增加，形成更强烈的爆炸超压，压力传播出现了非正常的上升趋势，这说明膜状障碍物在甲烷气体爆炸传播过程中发生了显著的激励效应。无膜工况0和加入薄膜后工况1产生的压力峰值如图10所示。

图10 爆炸超压实验值与模拟值的比较Fig.10 Comparison of experimental and simulated values of explosion overpressure

从图10中可以看出，用FLACS软件进行模拟的爆炸产生的压力峰值与爆炸实验产生的压力峰值变化趋势是一致的。从图10(a)可以看出，工况0条件下模拟结果和实验结果压力变化较为平缓。工况1当在管道21.38 m处放入薄膜时，从图10(b)可以看出，在经过薄膜后爆炸压力产生了显著的升高，由此可以说明，膜状障碍物的存在会导致强烈的激励效应，表现在压力迅速上升，压力峰值增大。分析认为，加入膜状障碍物后压力突然升高的原因有：1)可破坏的薄膜自身属于可燃物质，在前一段爆炸产生的火焰波会引燃薄膜，增加了下一段预混气体的起爆能，从而增加了爆炸的能量，使压力升高；2)前一段气体被点燃后，爆炸产生的压力会冲破膜状障碍物，但是薄膜自身有一定的强度，导致在一定情况下会产生和固体障碍物相同的激励原理，导致爆炸压力突然增大；3)浓度差的存在，起先引爆段的浓度为9.5%，后一段被引爆段的浓度为5.5%，5.5%浓度属于甲烷发生爆炸的临界状态，由于第1阶段爆炸后已具有一定压力，会引起第2阶段的压缩燃烧，使燃烧速度迅速加大，燃烧比较充分，因而压力出现了明显的增加。

5 结论

1)数值模拟和实验结果显示，若管道中存在膜状障碍物。则会出现强烈的激励效应，同等条件下，设有膜状障碍物的压力峰值约是无障碍物的6倍。

2)依照气体燃烧和爆炸理论，膜状障碍物激励效应形成是在置障处，因冲击波叠加引起第2段气体带压燃烧引爆，燃烧速度加大，甲烷气体几乎全部燃烧程度，导致压力峰值和火焰传播速度成倍增加。

3)实验结果显示，即使第2段管道内瓦斯浓度为5.5%，处于爆炸下限附近，仍然会产生极大的爆炸超压值。这也说明瓦斯爆炸压力不仅仅决定于瓦斯浓度，还决定于爆炸环境。这一结论对瓦斯爆炸事故调查和救援是有指导意义的。

4)由于爆炸产生巨大超压值，导致无法用现有光学视窗进行测试，下一步将在加强光学视窗强度的基础上，进一步观察膜状障碍物激励效应的流场结构演变机制。