填充比对隔爆腔内瓦斯爆炸的影响

随着煤矿机械化、自动化的快速发展，隔爆型电气设备在煤矿井下的应用也越来越广泛，与之相对应，探索更加高效、准确的设备检测检验技术也显得至关重要，特别是隔爆外壳耐压试验[1]中如何实现最严酷的爆炸压力形成条件是面临的研究难点之一。隔爆腔内布置有不同类型的电气设备及部件造成了腔体内部不同填充比，而在进行外壳型式试验时对腔体内部填充比的要求并无明确规定，因此，研究填充比对隔爆腔内瓦斯爆炸的影响，对推进检测检验技术的发展具有重要意义。

隔爆腔内的爆炸传播是一种极其复杂的过程，爆炸压力参数的变化规律受多种因素的影响[2-5]。周伟锋[6]基于隔爆外壳爆炸压力测试系统，针对气体体积分数、初始压力、气体置换、试验工艺孔选择以及外壳结构等与隔爆外壳爆炸压力的关系进行了理论分析，提出应综合考虑各影响因素以获取准确的参考压力数据；马云龙[7]针对不同中间孔直径的圆孔障碍物对隔爆腔内爆炸压力的影响进行了实验研究，得出瓦斯爆炸压力峰值随中间孔直径的增大而减小，并得到了压力上升速率与中间孔直径的函数关系式；陈凡东[8]通过试验探究了接线空腔对隔爆型电动机主腔爆炸压力的影响，得到电动机在旋转状态前端盖点火时接线空腔处爆炸压力最大；樊小涛等[9]利用典型ⅡC 类隔爆外壳，分别考察了乙炔、氢气在其内部的爆炸过程，发现乙炔的爆炸压力大于氢气，而氢气的爆炸压力上升速率大于乙炔；王志荣等[10]等通过对比分析不同尺寸圆柱形容器内的甲烷-空气混合物爆炸，研究管道长度和内径与最大爆炸压力及最大压力上升速率之间的关系，并得到了拟合度达99.7%的无量纲预测模型；徐铭[11]采用有限元分析手段对矩形外壳壳体内壁加载1 MPa，分析了壳体的应力分布和法兰变形情况。

综上，国内外学者对隔爆腔内气体爆炸现象的研究已取得一定进展，但研究成果多基于空腔得出，而隔爆腔内的爆炸压力受填充比影响较大。为此，开展了不同隔爆腔内填充比条件下的瓦斯爆炸试验研究，为进一步研究隔爆腔内气体爆炸特性提供数据支撑。

1 试验装置与内容

1.1 试验装置

试验装置如图1。试验装置主要由隔爆外壳、配气系统、点火系统、动态数值采集与控制系统组成。

图1 试验装置Fig.1 Experimental system

其中隔爆主腔尺寸750 mm×750 mm×600 mm，壁厚6 mm，可在保压1 MPa 时持续10 s 不发生影响隔爆性能的变形或损坏，隔爆腔体和箱门通过法兰由螺栓连接；瓦斯气源的物质的量分数为99.9%；点火系统采用电极点火，点火能量为10 J；动态数据采集系统中压力传感器采用成都科大胜英科技有限公司的CY400 高频压力传感器（量程0～1 MPa，精度为±0.25%FS），测试系统采用成都泰斯特公司的TST6260 瞬态信号测试仪配合DAP7.20 测试分析软件对压力信号进行采集，最高可监测16 通道的压力信号，采样频率为100 kHz。

1.2 试验内容

参照GB/T 3836.2—2021 标准[1]中型式试验要求，实验气体为体积分数为9.80%±0.50%的甲烷-空气混合气体，根据不同填充比条件下的隔爆腔内瓦斯爆炸，共设置有9 组工况，试验工况见表1。

表1 试验工况Table 1 Experimental conditions

针对每一种工况，将填充物固定在腔体底部进行试验，填充物底部中心与腔体底部中心重合放置，分析不同位置的压力变化情况。腔体示意图如图2，压力传感器根据空间布置位置分别命名为PUL、PLR、PLL、PC、PRU，点火位置位于外壳正面的壁面中央偏左下角。

图2 腔体示意图Fig.2 Flameproof chamber

试验开始前检查装置的气密性，检查完毕后进行充气。试验采用体积配比法进行配气，借助膜式燃气表控制进入隔爆腔体的气体流量，将瓦斯充入腔体中，挤出腔体内原有空气，配气完成后开启循环泵将腔内混合气体循环3 min 之后继续静置15 s，使气体充分混合均匀。试验时初始温度为298 K，初始压力为0.102 MPa，对于每种工况试验至少重复3次以保证可重复性和准确性。

2 试验结果

利用隔爆腔内瓦斯爆炸压力试验装置研究不同填充比条件下各压力测点的爆炸压力以及压力上升速率，根据数据进行分析。

2.1 空腔瓦斯爆炸压力

隔爆空腔内发生瓦斯爆炸时，空腔内爆炸压力如图3。

图3 空腔内爆炸压力Fig.3 Explosion pressure in cavity

从图3 中可以看出：PLU、PRL、PLL测点的瓦斯爆炸压力变化趋势大致相同，压力均先增大后减小，只有1 个压力极值，较符合定容爆炸压力曲线特征，而PC、PRU测点都出现了多个压力极值；各测点的最大爆炸压力也各不相同，PLU、PRL、PLL、PC、PRU传感器的最 大 爆 炸 压 力 分 别 是0.388、0.401、0.438、0.372、0.547 MPa。

当电极点火后火焰呈层流燃烧，爆炸火焰锋面以圆球形向外扩展传播，火焰锋面两侧形成较强压缩波，当火焰到达隔爆腔体壁面时，火焰形状会因为刚性壁面的阻碍而发生形变，导致火焰面积迅速增大，形成大尺度的湍流，火焰进一步向未燃区域传播，使得压缩波与湍流火焰的相互作用进一步加强，与点火源处于同一壁面的PLU、PRL测点和距点火源相对较近的PLL测点由于火焰到达时的湍流程度较低，因此压力发展也较为平稳，而PC、PRU测点距点火位置相对较远，压缩波到达壁面后经由壁面反射，反射压缩波抑制火焰的传播速度导致压力小幅下降，之后二次反射压缩波与火焰锋面相遇，又促进压力上升，导致压力极值的多次出现。PRU测点处的火焰在碰撞壁面前火焰尺寸也相对较大，火焰湍流程度更强，导致的压力峰值最大。

2.2 不同填充比瓦斯爆炸压力

不同填充比隔爆腔内爆炸参数如图4，不同填充比条件下爆炸参数见表2。

表2 不同填充比条件下爆炸参数Table 2 Explosion parameters of different filling ratios

图4 不同填充比隔爆腔内爆炸参数Fig.4 Explosion parameters of different filling ratios in flameproof chamber

由表2 可知：最大爆炸压力峰值出现在空腔状态时，为0.547 MPa，放置填充物后会降低爆炸压力峰值，其中填充比为70%时降幅最大，达到了32%，此时的最大爆炸压力为0.347 MPa，为PC测点所测得；最大爆炸压力上升速率随着隔爆腔内填充比的增加而增大，由空腔时的3.612 MPa/s 增大到填充比为80%时的23.798 MPa/s，因为对于同一容积的隔爆腔，随着腔内填充比的增大，火焰通道变窄，增强了气体的湍流程度，而填充比越大这种现象越明显，使更多的气体在更短的时间内被引燃，因此最大爆炸压力上升速率也随之变大；但是随着填充物的加入，爆炸反应发生过程中会伴随着火焰锋面与压缩波与填充物壁面相摩擦而损失一部分热量从而导致加入填充物后较空腔会使得最大爆炸压力产生小幅度下降。

由图4（b）可以看出填充比严重影响隔爆腔内瓦斯爆炸的最大压力上升速率，对数据点进行拟合，R2=0.990 3，得到填充比与最大爆炸压力上升速率成指数关系，其拟合函数如下：

式中：dp/dt 为压力上升速率，MPa/s；f 为填充比，取值范围为0～80%。

为进一步研究填充比与爆炸压力之间的关系，选取填充比为50%时隔爆腔内爆炸压力曲线进行分析，50%填充比隔爆腔内爆炸压力如图5。

从图5 中可以看出：压力在极短时间内到达峰值，各测点的压力曲线均呈锯齿形变化，这是由于爆炸冲击波在隔爆腔内部的震荡作用，且随着腔体内部填充比的增大，爆炸冲击波的震荡效果更加明显，压力曲线高值区也随之减小；而随着填充比的增加，最大爆炸压力值均处在PC、PRU测点之上，并且2 个测点上的最大爆炸压力也较为接近。

图5 50%填充比隔爆腔内爆炸压力Fig.5 Explosion pressure of 50% filling ratio in flameproof chamber

3 结 语

1）空腔状态下隔爆腔内的瓦斯爆炸压力最大，出现在距离点火位置最远的PRU测点处，放置填充物后均会低于空腔时的最大爆炸压力。

2）随着隔爆腔内填充比的增大，爆炸压力的震荡效果愈加明显，填充比与最大爆炸压力上升速率成指数关系。