基于激波管系统对瓦斯爆炸的研究

胡 洋，杨雨欣，吴秋遐

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤炭是支撑我国经济发展和科技进步的最稳定能源，长期并且在未来也将位于我国能源结构最主要的位置。井下开采是我国煤矿最主要的开采形式[1]，相较于地面作业，由于局限的开采技术、特殊复杂的环境条件和参差不齐的人员素质，煤矿安全不容小觑，煤矿事故频频发生，据统计，在煤矿行业的安全事故死亡人数和事故数量中，顶板和瓦斯事故均占一半以上，其中，瓦斯事故以瓦斯爆炸事故最为常见[2]。煤矿井下瓦斯爆炸等安全事故不仅仅带来生命财产损失，更会给经济社会发展造成负面影响，严重威胁人民安居乐业和社会稳定。徐婷婷等[3]通过Fluent软件模拟瓦斯-煤尘爆炸过程，得到压力波、温度的传播云图和不同粒径的煤尘对爆炸压力值的影响关系；余高明等[4]利用小尺寸爆炸实验平台，分析不同体积分数的瓦斯爆炸火焰传播特性,得到瓦斯爆炸火焰传播速度、压力最大的体积分数为9.5%；李润之等[5]通过球型爆炸罐体装置进行实验得道瓦斯浓度与最大爆炸压力及最大压力上升速率之间的关系。

综上分析, 国内学者对瓦斯爆炸压力及火焰传播特性进行了广泛研究, 但在中尺度激波管道内进行的瓦斯爆炸实验研究相对较少,另外，现场模拟瓦斯爆炸事故不仅会消耗大量的财力物力，且有次数限制，因此，建立了一套国内领先、国际先进的中尺度瓦斯爆炸激波管道实验系统，用以对煤矿井下、化工车间等复杂环境下的燃烧、爆炸现象进行模拟，探究气体、两相爆炸和爆轰的传播现象及流场内部机理。

1 中尺度瓦斯爆炸激波管道系统

中尺度瓦斯爆炸激波管道实验系统主要由爆炸激波管道、高压点火系统、光谱测试系统、超高速纹影系统、时间同步控制系统、预混气体配置与真空系统和数据采集系统组成，实验系统示意图如图1所示。

图1 实验装置系统示意图

1.1 爆炸激波管道系统

自主搭建的中尺度爆炸激波管作为实验系统的主体装置，主要由爆轰管道、位于管道尾端的泄爆仓、支架和导轨组成。爆轰管整体采用多节拼装，由法兰盘连接，以便对其进行拆解和搬运，适应不同实验的设计需求。激波管体的主体材料为A20碳钢以及冷拔无缝矩形钢管，每段长2500 mm，厚10 mm，内截面为200 mm×200 mm正方形。

压力和火焰传感器位于距离每节激波管250 mm和750 mm处的顶部和侧面，安装在尺寸为M20×1.5的孔座中。距试验段端面为500 mm处设置一个150 mm半径的圆形可视化窗口，高速摄影、激光纹影等技术可通过有机玻璃窗口检测管道内部火焰、激波流场的变化情况，如图4所示。

图2 激波管体示意图

图3 激波管道系统

图4 爆炸激波管实验段可视化窗口

1.2 光谱测试系统

光谱测试系统主要由瞬态光谱仪和ICCD相机组成。光谱仪主要可以分为色散光谱仪和调制光谱仪两大类，其中色散光谱仪的主体是分光元件，依据分光元件不同可将色散光谱仪细分为：棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪三种。本实验系统配备型号为Shamrock750A的衍射光栅光谱仪，波长范围200～1100 nm，分辨率2400条/mm。

为了实现ICCD相机和光谱仪能够在特定波长条件下打开并进行暂态获取的功能，在原光路出口增加一个30%折射率的半透半反镜，既可以满足慢速响应的需要，又能改善瞬态光谱测试系统的精确性，如图5为增加半透半反镜后的折射曲线。

图5 半透半反折射曲线

光线经过光纤进入光谱仪狭缝，经过两次反射到达光栅，由于波长不同，通过光栅折射后光线传播方向也会发生不同角度的偏转，从而形成一系列离散的狭缝像，进而在数据采集软件上获取所需的光谱图像。光谱仪光路如图6所示。

图6 光谱仪内部光路简化图

1.3 其他系统

实验系统配备高压脉冲电源，电容器电容为0.02 μF，点火能量100 mJ，通过尖端放电的方式点燃预混气体。

实验数据采集系统主要由东华数据采集系统(DH8302)、压力信号测量系统和火焰信号测试系统构成。数据采集系统支持16通道采集、采样频率1 MHz。本系统采用ICP型高频响压电传感器，灵敏度为0.145 mV/kPa，采样频率为1 MHz；火焰传感器(GT101)的核心部件为硅PIN光电二极管，通过数据采集系统的光电转换技术得到测量的实验数据[4]。

激光纹影系统采用激光技术作为主要光源，利用纹影成像技术[5]探究不同因素对流场内部的影响。由于平行光通过存在密度梯度的非均质流场时会发生不同角度的偏转，因此从垂直于平行光线的方向可以得到相应的纹影图像，来反映流场内部的密度梯度分布[6]。激光纹影系统主要包括激光器、凹球反射镜、平面镜、滤光片、刀口及升降平台等光学元件[7，8]，将元件进行排列组合可以满足不同实验工况需求。通常配备凹球反射镜的纹影系统会采用“Z”型光路设置[9]，这种布局相比于“M”型和“直线”型来说，成像不会受到光线自身产生的影响[10]。

同步控制系统连接了多通道同步控制器，实现同一信号控制高压点火、喷射惰性气体及数据采集[11，12]。

预混气体配置及真空系统由配气系统和抽真空系统组成。真空系统主要由旋片泵和罗茨泵组成，其中旋片泵抽速为90 m3/h，极限真空度0.7 Pa、罗茨泵抽气速度为500 m3/h，极限真空度0.4 Pa；预混气体配置系统利用管道外预混的原理进行不同浓度的其他配置。

2 系统调试及结果分析

向中尺度爆炸激波管道充入9.5%的甲烷-空气的预混气体，在前六段和实验段进行瓦斯爆炸实验的初步调试，得到初步调试数据结果。

图7为1-8号压力传感器的信号强度变化图像，分析图像可以得到，瓦斯在爆轰管道内发生爆炸产生的冲击波到达管道内壁后产生多次反射，造成管内压力持续震荡。在密闭的实验管道内，火焰热辐射作用形成的压缩波紧随前驱冲击波之后，在传播到达管道尾端后，经过尾端盲板的反射反向传播，从而形成一种可归属为压缩波的反射波，引发压力传感器的信号改变。

图7 各传感器压力信号

图8为1-8号火焰传感器的信号强度变化图像，分析图8可以得出，在瓦斯爆炸的前期，火焰传播速度相对较慢，火焰阵面经过火焰传感器的时间间隔较长，造成位于管道前端的1-3号火焰传感器之间接受火焰信号(即火焰阵面到达火焰传感器)存在较大的时间差。火焰受到扰动的影响产生湍流效应，致使位于管道中部的3-5号传感器之间的时间差越来越短，即火焰传播速度加快。随着瓦斯爆炸反应进行到后期，火焰在经过5号火焰传感器后，6-8号传感器之间时间差逐渐增大，这是因为管道内反应物减少，产生的能量不足以支撑反应继续进行，火焰传播速度减慢。也就是说，在整个实验过程中火焰传播速率先增大后减小。

图8 各传感器火焰信号

图9为实验过程中得到的激光纹影图像，可见当火焰第一次到达观察窗口时，火焰呈现明显的指尖状，这是因为火焰阵面受到轴向的拉伸作用，中部速度大于两侧速度。当激波穿过已燃气体经过火焰阵面到达未燃气体，火焰阵面与反射波之间发生相互作用，火焰产生不明显的回流现象。激波与火焰相遇后，由于火焰阵面前后的气体存在密度梯度，火焰发生失稳，对未发生反应的气体产生卷吸效应，火焰传播加速。

图9 激光纹影图像

3 结论

(1) 本系统可以满足不同工况的实验需求，在观测气体、两相爆炸和爆轰的传播及其机理方面，得到的实验数据较为可靠。

(2) 测量瓦斯爆炸的压力及火焰传播数据，可以帮助我们从宏观和微观角度充分认识气体的爆炸过程，有助于充分研究燃烧和爆炸现象，为减少灾害发生提供更充分的理论支撑。