障碍物阻塞率梯度对甲烷爆炸特性影响研究

余明高，马梓茂，韩世新，王雪燕，陈传东

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

引 言

甲烷爆炸作为煤矿井下最危险的事故之一，是煤矿安全生产的主要危害。在一些生产过程中存在甲烷的化工企业，同样面临甲烷爆炸的风险。爆炸一旦发生，所伴随的爆炸超压将破坏建筑结构、损坏机械设备以及造成人员伤亡[1-4]。与此同时，生产过程中所使用的通风机、运输设备、供电设备，壁面的不平整，巷道（通道）截面积的突变等都可视为障碍物，不仅增加通风阻力，还对爆炸火焰的传播产生影响。研究表明，障碍物的存在将促进爆炸火焰的加速，加剧爆炸超压的上升，从而造成更严重的人员伤亡和财产损失[5-10]。因此，从安全的角度考虑，研究障碍物与火焰的相互作用，对制定减轻爆炸事故危害程度的相关措施尤其重要。

障碍物对火焰传播过程的影响很早就引起了研究者的关注。早在1926年，Chapmant等[11]就发现障碍物能加速管道内火焰的传播。Fairweather等[12]对比研究了火焰在空容器和含障碍物的容器中传播时火焰的位置、形状和产生的超压，指出障碍物的存在会显著增强火焰的加速和超压。此后，研究者们对障碍物促爆机理及其相关参数(如障碍物形状、阻塞率、位置、数量及间距等)的影响进行了大量的研究[13-26]。

在障碍物促爆机理的研究中，林柏泉等[13]提出了气体流动与燃烧过程之间的正反馈耦合机理。他们认为，障碍物的存在会使流场变形，并在障碍物表面的边界层和尾部形成速度梯度，这使火焰通过障碍物后发生拉伸和折叠，使得火焰表面积增大从而导致热释放速率增大，火焰传播速度加快，这又会导致流场进一步增大，引起更强烈的火焰拉伸和折叠。Johansen等[14]使用纹影摄影和氦跟踪技术来观察流场变化，证明了障碍物之间形成对称涡流，涡流引起的湍流燃烧是火焰加速的主要原因。在对障碍物相关参数的研究中，Masri等[15]研究了圆形、方形、三角形三种不同形状截面障碍物对火焰传播的影响，发现方形障碍物能造成最大的火焰传播速度，圆形障碍物引起的火焰传播速度最小。Ibrahim等[16]采用20 L的开口容器研究了三角形、正方形、菱形和平板形状的障碍物，发现平板型障碍物产生最高的超压，而圆柱形障碍物产生最低的超压。Johansen等[17]研究了阻塞率对矩形管内初始火焰加速传播过程的影响，发现在初始阶段，障碍物的高阻塞率对火焰的加速作用更明显。陈道阳等[18]采用数值模拟的方法研究了障碍物阻塞率对爆炸场内火焰速度的影响，发现低阻塞率下，火焰传播速度较低，但随着阻塞率增大，火焰传播速度得到明显增大。Wen等[19]探讨了障碍物横向位置对火焰动力学的影响，指出位于中心位置障碍物的火焰加速速率最高，交错位置障碍物的火焰超压最高。丁以斌等[20]通过研究长方体、三棱柱和圆柱三种立体障碍物的放置方式对火焰传播的影响，发现长方体的放置方式对火焰传播速度和爆炸超压的影响较小，三棱柱和圆柱影响较大。Hall等[21]利用激光激发荧光成像技术研究了障碍物数目和位置对湍流预混火焰的影响，发现随着障碍物数量增大、间距减小，超压将增大，但是超压的增大有一定限度。

目前的研究主要集中在单个障碍物的形状和阻塞率，以及相同阻塞率的多个障碍物的数量和间距的研究。现有的障碍物诱导火焰加速机理仅适用于单个障碍物或具有相同阻塞率的多个障碍物。然而，实际场景中障碍物的排布则更加复杂，往往障碍物在巷道中的阻塞率并非总是相同，不同阻塞率障碍物的排布顺序、阻塞率的梯度差异等也可能对火焰传播造成影响。但对于多个不同阻塞率障碍物对火焰传播影响的研究却鲜有报道。因此，针对这一研究空白进行实验设计并开展研究具有重要的现实意义。

本文主要聚焦于阻塞率梯度对甲烷-空气预混火焰传播以及超压演变的影响。阻塞率梯度定义为沿火焰传播方向，下游障碍物与其相邻上游障碍物的阻塞率的差值。实验在阻塞率梯度为0~0.15、甲烷体积分数φ为8%~11%的工况下进行，通过高速摄像机和高频压力传感器详细记录了火焰结构、火焰传播速度与超压变化过程，并针对这些参数随阻塞率梯度以及甲烷体积分数的变化进行分析。

1 实验装置

实验装置如图1所示。实验管道采用透明石英玻璃制成，厚20 mm，尺寸为100 mm×100 mm×1000 mm。管道两侧采用TP304不锈钢板密封。为保证安全，管道右上侧壁面开有直径为25.4 mm的圆形泄爆口。通气过程中，泄爆口采用PVC薄膜密封。点火头位于左侧钢板的几何中心处，点火能量约为30 mJ。从左至右，距点火头200、400、600 mm的管道上壁面处可安装障碍物，依次记为OB1、OB2、OB3。障碍物形状为长方体块状，长宽分别为100 mm、10 mm，其高度为10~40 mm，阻塞率为障碍物高度与管道高度的比值。进气口位于管道左端，而出气口位于管道末端上壁面。通气过程中，甲烷和空气总流量为5 L/min，根据实验工况所需，计算预混气体中甲烷和空气各自流量，然后通过质量流量控制器（MFC，误差±1%）精确控制，通气时间持续10 min。由于通气量（50 L）超过管道容积（10 L）的4倍，管道内甲烷的体积分数与设定值一致[27]。通气结束静置30 s后点火，压力采集系统和高速摄像机同时开始采集数据。压力采集系统由拓普测控科技有限公司的NUXI动态测试分析仪和上海铭控传感器技术有限公司的MD-HF型号压力传感器组成，采样频率设置为10 kHz，测量范围为-0.1～0.8 MPa，误差为±0.25%。高速摄影机采用PHANTOM VEO 710L型高速摄像机，采样频率设置为2000 fps，分辨率为1280×160。

图1 实验装置示意图Fig.1 Illustration of experimental setup

本实验装置系统与部分研究者的实验装置有相似之处[20,28-29]。其中，与丁以斌等[20,28]的实验装置相比，实验管道均为小尺寸方形有机玻璃管道，可用于研究火焰传播结构变化规律,不同的是，本实验管道为封闭式管道，而丁以斌等的实验管道为半封闭式，实验中的爆炸超压相对较小。与Yang等[29]的实验装置相比，实验均使用高速摄像机和压力传感器采集图像和压力数据，同时管道均为有机玻璃材质，且管道均为封闭式，不同的是，本实验管道中内置三组障碍物且阻塞率各不相同，而Yang等的实验管道中仅设置一组障碍物；并且本实验中障碍物仅安装在管道上壁面，而Yang等采用上下壁面对称安装的方式。多组障碍物对火焰加速的机理与采用单组障碍物时有所不同，Bychkov等[30]提出的多重栅栏型障碍物（阻塞率均相同）对火焰的超快速物理加速机理，具有很广的适用范围[31-32]，却并未考虑阻塞率不同的障碍物排列工况。综上，小尺寸实验平台在前人基础上进行了改进。

本实验仅考虑阻塞率梯度的影响，不考虑障碍物的间距、形状等与阻塞率梯度的耦合作用。所用障碍物组共四组，根据阻塞率梯度大小分别命名为C0、C0.05、C0.1、C0.15,其下角标表示该工况阻塞率梯度，阻塞率配置方式如表1所示。为控制阻塞率梯度为单一变量，四种障碍物组的平均阻塞率相同，平均阻塞率定义为管道中所有障碍物阻塞率的算术平均值。每个障碍组分别在φ=8%、9%、10%、11%时进行实验，共计16个工况，为保证实验数据的准确性和重复性，每个工况均在常温常压下进行，且进行三次重复实验。基于本文研究成果，后续将会对阻塞率梯度影响瓦斯爆炸特性开展系统研究。

表1 阻塞率梯度配置Table 1 Blockage rate gradient configuration

2 实验结果与讨论

2.1 火焰结构

图2展示了φ=10%时不同障碍物阻塞率梯度下的火焰传播结构。由于甲烷火焰较暗，不易分析观察，利用图像处理软件对该图的亮度和对比度进行了统一调整。如图所示，在t≤23 ms，火焰未经过障碍物，C0、C0.05、C0.1、C0.15工况在同一时刻的火焰结构近似一致。该过程，火焰结构经历了半球形阶段和指形阶段，其火焰传播速度与层流燃烧速度有关，下游是否存在障碍物并无影响[33]。在t=27.5 ms时，火焰前锋逐渐接近OB1，由于其障碍物的存在使未燃气体的流场发生改变，因此火焰前锋开始变得尖锐，随后根据其所在工况OB1阻塞率大小差异开始出现不同程度拉伸。在t约为31 ms时，各工况火焰经过OB1，由于障碍物的剪切作用，其下游出现不同大小的逆时针涡旋，在涡旋的卷吸作用下，火焰向上卷曲。2 ms后，火焰接触到上壁面并将一部分未燃气体包裹进火焰内部，此时，火焰前锋一部分火焰向前传播，一部分火焰向后传播，火焰湍流燃烧加剧。火焰经过OB2的现象与上述过程类似，但各工况形成涡旋的大小略有差异。在火焰到达OB3时，经过OB1、OB2对火焰的加速，火焰湍流程度较大，前锋轮廓线变得模糊。值得注意的是，C0、C0.05的火焰在经过OB3不久后，前锋轮廓再次显现，随着火焰继续传播，分别在t=43 ms和t=43.5 ms时，中心处火焰向燃烧区凹陷。而反观C0.1、C0.15工况，在经过OB3后，火焰前锋轮廓依旧模糊，随着火焰持续传播，迅速在整个管道中爆燃起来，整个过程没有出现火焰前锋向燃烧区凹陷的现象。密闭管道火焰传播过程中，产生的反射压力波与火焰相互作用会减慢甚至逆转封闭管道中的火焰[15]。因此，该实验中出现的凹陷现象可能是火焰与反射压力波相互作用所致。

如图2所示，从形成各火焰结构所需时间来分析，C0、C0.05、C0.1、C0.15的火焰在经历半球形阶段和指形阶段时，时间上的重合性很好，该过程，火焰结构的演变主要与层流燃烧速度有关，下游障碍物对其几乎无影响。火焰经过障碍物后，C0、C0.05、C0.1、C0.15形成各火焰结构所需时间出现差异。在火焰达到OB3时，C0、C0.05、C0.1、C0.15所用时间分别为t=40.5 ms、41.5 ms、42 ms、44 ms。随着火焰继续传播，大约在t=48 ms时，4个工况的火焰抵达管道末端。通过对上述时间的分析，足以说明从点火到火焰经过OB3的过程中，阻塞率梯度越小，平均火焰速度越大，在OB3至管道末端中，阻塞率梯度越大，平均火焰速度越大。

2.2 火焰前锋动力学特征

本实验中，障碍物全位于管道上壁面，由于火焰经过单边障碍物时受障碍物的挤压作用会向障碍物对立面偏移，因此在火焰经过障碍物前，火焰前锋定义为管道轴线方向上的最前沿火焰点，火焰经过障碍物后，火焰前锋定义为靠近管道下壁的最前沿火焰点。火焰前锋速度v可由公式v=ΔXF计算得出，其中，ΔX指高速摄像机拍摄的相邻两帧图片中火焰前锋之间的像素距离，图片像素与真实距离的换算大约为9像素=1 cm，F指高速摄像机设置的频率，该值为2000 fps。

图3展示了φ=10%时火焰前锋位置随时间的变化。如图所示，当t<25 ms时，C0、C0.05、C0.1、C0.15的火焰前锋轨迹曲线几乎重合，该过程中，火焰经历了从点火到半球形火焰，再到指形火焰的变化（如图2所示），火焰传播速度与层流燃烧速度有关。当4个工况的火焰前锋经过OB1时，由于其各自阻塞率差异，轨迹曲线出现了一个小波动后开始出现分离，从上至下依次是C0、C0.05、C0.1、C0.15，这也说明此时（即各曲线由于斜率差异刚出现分离时）火焰传播速度V（C0）>V（C0.05）>V（C0.1）>V（C0.15）。随后4种工况的火焰前锋轨迹呈现波浪式上升，在t=48 ms时，四条火焰前锋轨迹线汇于一点。由此可见，平均阻塞率一致时，阻塞率梯度仅对火焰传播的瞬时速度有影响，而对整个过程的火焰平均速度并无太大影响。

图2 不同阻塞率梯度下的火焰结构演变Fig.2 Evolution of flame structure under different blockage rate gradients

图4为最具代表性的火焰传播速度历程，显示了在φ=10%时火焰前锋速度随距离的变化。根据火焰传播过程中速度变化的不同，将整个过程分为4个阶段。如图所示，StageⅠ的火焰传播对应于图3中t<25 ms的过程，火焰还未经过障碍物，处于层流燃烧阶段，火焰传播速度变化与其下游障碍物无关，因此，C0、C0.05、C0.1、C0.15的速度曲线近似重合。StageⅡ中，火焰开始接触障碍物。首先，在障碍物的挤压作用下，火焰拉升，速度提升，由于C0、C0.05、C0.1、C0.15中OB1阻塞率差异，各工况出现的速度峰值也有所差异；随后，障碍物的剪切作用使其下游形成大小不一的涡旋，在涡旋的卷吸下，各工况火焰传播速度减小，待涡旋破坏，火焰湍流燃烧加剧，速度再次增大。StageⅢ和StageⅣ中的火焰也经历了同样的过程，其中，StageⅢ与StageⅡ的峰值火焰速度呈现V(C0)>V(C0.05)>V(C0.1)>V(C0.15)的规律。而StageⅣ却恰好相反，其峰值火焰速度V(C0.15)>V(C0.1)>V(C0.05)>V(C0)。由此可知，沿火焰传播方向阻塞率递增且平均阻塞率一定时，阻塞率梯度越大，火焰在刚经过障碍物不久时，火焰传播速度越小，但随着火焰不断通过后续高阻塞率障碍物后，火焰传播速度会迅速提升，最终超过阻塞率梯度较小工况下的火焰传播速度。但是，当障碍物阻塞率较大时，由于火焰通过障碍物散热极大，障碍物对火焰不表现为促进作用，相反，会抑制火焰传播[34]，因此以上规律仅在低阻塞率情况下适用，对于其适用界限，由于实验的局限性，此处不予讨论。

图3 火焰前锋位置随时间的变化（φ=10%）Fig.3 Flame front position changed with time(φ=10%)

图4 火焰前锋速度历程（φ=10%）Fig.4 Velocity history of flame front(φ=10%)

如图4所示，4种工况下的最大火焰速度，Vmax发生在StageⅣ，有Vmax(C0.15)>Vmax(C0.1)>Vmax(C0.05)>Vmax(C0)的规律（由于该曲线为B-样条曲线，不全经过各数据点，因此在C0.1、C0.05峰值图像上出现视觉误差）。障碍物对火焰的加速作用主要表现为对火焰的挤压作用和剪切作用。挤压作用即类似流体力学中通过减小横截面积而增大流速，而剪切作用使障碍物下游形成涡旋，在涡旋的卷吸下，火焰湍流化加剧，从而增大火焰传播速度。对于阻塞率梯度较大的工况，例如C0.15，由于前端障碍物阻塞率低，火焰传播速度较慢，因此有更多的时间使火焰湍流化，随着火焰传播，后续障碍物阻塞率大幅增大，更好地发挥了障碍物的挤压作用，因此，C0.15工况能最大地发挥出两者对火焰的加速作用，从而使Vmax(C0.15)达到最大。此 外，Vmax(C0)、Vmax(C0.05)、Vmax(C0.1)、Vmax(C0.15)的具体数值分别为103.13、105.68、107.35、115.88。Vmax(C0.1)、Vmax(C0.15)较Vmax(C0)分别增大了4.1%和12.3%，由此可见，当阻塞率梯度小于0.1时，对火焰传播速度影响较小，当阻塞率梯度大于0.1时，对火焰传播速度增幅显著增大。

可燃气体体积分数是影响火焰传播速度的一个重要因素。图5给出了不同阻塞率梯度下甲烷体积分数对火焰传播速度的影响。如图所示，在4个阻塞率梯度下，随着φ从8%增至11%，各工况速度曲线变化趋势大致一致，但速度大小不尽相同。其中，当φ=9%和10%时，由于接近化学计量体积分数，火焰燃烧较充分，火焰曲线位于上端，火焰传播速度较大；当φ=8%时，火焰传播速度曲线位于最下端，速度最小。对火焰传播速度峰值进行定量分析发现：甲烷体积分数φ=8%、9%、10%、11%时，随着障碍物阻塞率梯度从0增至0.15，火焰传播速度峰值分别增大了20.73%、10.30%、12.36%、26.48%。由此可见，当甲烷体积分数φ=8%和11%（即远离化学计量体积分数9.5%）时，阻塞率梯度的增加对火焰传播速度峰值的增幅影响更显著。

图5 火焰前锋速度历程（φ=8%~11%）Fig.5 Velocity history of flame front(φ=8%—11%)

2.3 压力演变

压力波对于火焰振荡和火焰形状变化具有重要影响[35]。压力波是由火焰面积的突然减小、火焰与管道壁或障碍物的碰撞产生的[36]。产生的压力波在燃烧管道内来回传播，大量的压力波会聚在一起，最终通过Rayleigh-Taylor不稳定性影响火焰的振荡和形状变化[29]。

以φ=10%为例分析火焰传播过程中的压力演变，如图6所示。在0

图6 压力演变（φ=10%）Fig.6 Pressure evolution(φ=10%)

图7展示了φ=8%、9%、11%时的压力演变。如图所示，从总体趋势上看，4种阻塞率梯度工况在φ=8%、9%、11%时的压力曲线与φ=10%时近似一致，同时，也有阻塞率梯度越大，压力峰值越大，达到压力峰值所需时间越多的规律。φ=8%、9%、11%的压力曲线达到峰值压力后开始振荡下降。对后期压力振荡分析发现，φ一定时，随着阻塞率梯度的增大，振幅将减小；阻塞率梯度一定时，随着φ接近9.5%，振幅将增大；无论阻塞率梯度、φ为何值时，振荡周期始终保持一致，约为2.3 ms。

图7 压力演变（φ=8%、9%、11%）Fig.7 Pressure evolution(φ=8%,9%,11%)

峰值超压作为工业安全的重要参数，具有很大的研究意义。图8展示了四种阻塞率梯度在φ=8%~11%时的峰值超压。其中，各数据点的数值为三次重复实验的平均值，并作出误差棒。重复实验的误差主要源自于压力传感器测量误差与实验操作误差，但在误差允许范围内。如图8所示，随着阻塞率梯度的递增，峰值超压近似呈线性增长，其中，φ=10%的系列工况峰值超压最大，φ=8%的系列工况超压最小，以φ=10%和8%为例进行定量分析。当φ=10%时，C0、C0.05、C0.1、C0.15的 峰 值 超 压 分 别 为216.00、233.11、248.17、265.64 kPa，C0.15较C0阻塞率梯度增大了0.15，峰值超压增大了22.98%；当φ=8%时，C0、C0.05、C0.1、C0.15的 峰 值 超 压 分 别 为159.69、173.05、188.34、208.91 kPa，C0.15较C0阻塞率梯度增大了0.15，峰值超压增大了30.82%。由此可见，φ=10%时，峰值超压较大，但阻塞率梯度引起的压力变化较小，反观φ=8%，峰值超压较小，但阻塞率梯度对峰值压力变化影响很大。无论φ为何值时，均有峰值压力随阻塞率梯度降低而降低的规律，该规律可用于指导安全生产。在障碍物较多的井下巷道，可通过合理布局，达到降低爆炸危害的作用。

图8 峰值超压随阻塞率梯度的变化Fig.8 Peak overpressure varying with blockage rate gradient

3 结 论

本文通过研究阻塞率梯度对管道内甲烷火焰传播过程中火焰结构、速度变化、压力演变的影响发现，当管道内障碍物平均阻塞率一致时，得到以下结论。

（1）阻塞率梯度从0增至0.15时，管道末端火焰凹陷逐渐消失，火焰湍流燃烧加剧。该现象随φ越接近化学计量体积分数而越明显。

（2）阻塞率梯度从0增至0.15时，峰值火焰速度增加，但平均火焰速度无明显变化。当φ偏离化学计量体积分数时，阻塞率梯度对火焰速度增幅影响显著。

（3）阻塞率梯度从0增至0.15时，峰值压力会随之增大，达到峰值压力所需的时间也会延长。在φ=10%时，峰值压力最大，但阻塞率梯度增大对压力大小的增幅影响较小；而φ=8%时，峰值压力最小，但阻塞率梯度增大对压力增幅影响较大。

（4）井下煤矿生产过程中，在易发生爆炸的地点应对其附近障碍物（通风设备、回采设备、供电设备、运输设备等）进行合理布局，尽量避免障碍物阻塞率呈现较大梯度的变化，以此达到降低爆炸危害的作用。