密闭空间瓦斯爆炸数值模拟研究_罗振敏.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 密闭空间瓦斯爆炸数值模拟研究 罗振敏 1， 2， 3， 吴 刚 1， 2， 3 （1．西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2．西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安 710054； 3．西部煤矿安全教育部工程研究中心， 陕西 西安710054） 摘要 针对矿井封闭火区内瓦斯爆炸特性问题， 通过 FLACS 软件建立简单的密闭空间， 模拟了 瓦斯爆炸传播中的压力、 温度和火焰的发展变化过程。结果表明 压力波的反射作用导致瓦斯爆 炸压力曲线反复波动， 出现多个压力峰值； 各点温度在距离燃料区较近区域波动幅度小， 在稍远 的距离波动幅度大， 而在距末端较近的距离， 温度值较前面的监测点而言值非常小； 火焰会出现 反向传播的现象， 之后出现湍流现象， 直至反应结束。 关键词 瓦斯爆炸； 密闭空间； 反复波动； 火焰形态； 湍流 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0001-04 Numerical Simulation of Gas Explosion in Confined Space LUO Zhenmin1,2,3, WU Gang1,2,3 （1．School of Safety Technology and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China; 2．Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Disaster Prevention and Control of the Ministry of Education, Xi’ an 710054, China;3．The Western Coal Mine Safety Engineering Research Center of the Ministry of Education, Xi’ an 710054, China） Abstract According to the problem of gas explosion characteristics in mine closed fire zone, FLACS software is used to establish a simple closed space to simulate pressure changes, temperature changes and flame development during gas explosion． The results show that the reflection of pressure wave causes the gas explosion pressure curve to fluctuate repeatedly, and multiple pressure peaks appear; the temperature fluctuates less in the vicinity of the fuel zone, and the fluctuation range is larger in the slightly distant position． While at a distance closer to the end, the temperature value is very small compared to the previous monitoring point; the flame has a reverse propagation phenomenon, followed by turbulence until the end of the reaction． Key words gas explosion; confined space; repeated fluctuations; flame morphology; turbulence 瓦斯爆炸是威胁煤矿安全生产的重要危险因 素。根据煤矿安全事故统计分析，发现绝大多数事 故是由于瓦斯爆炸引起， 约占特别重大事故的 70％ 左右[1]。近年来， 国内外很多学者对不同工况下的气 体爆炸特性及其传播规律进行了理论分析[2-9]、 实验 研究及数值模拟[10-11]。研究者们采用不同的实验装 置和模拟软件研究了多种工况和环境对瓦斯爆炸的 影响，但对于密闭环境条件下瓦斯爆炸的研究则较 少。基于此， 通过建立简单的长直密闭管道， 通过分 析爆炸压力、温度和火焰传播的变化，研究密闭空 间内瓦斯爆炸的特性。 1数学模型与数值方法 1．1物理模型 简化的模拟巷道两端密闭，在 x、 y、 z 轴方向上 的长度为 200、 4、 4 m， 巷道模型如图 1。巷道内充填 有多种浓度的甲烷-空气混合气体。设置坐标原点 为其起点，其中点火位置坐标为（0．25 m， 2．25 m， 2．25 m） ， 点火开始时间设置为 0 s。 可燃性气体充填 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．002 罗振敏， 吴刚．密闭空间瓦斯爆炸数值模拟研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 1-4． LUO Zhenmin, WU Gang． Numerical Simulation of Gas Explosion in Confined Space ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 1-4． 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51674193） ； 陕西省自然科 学基础研究计划面上资助项目 （2017JM5068） ； 陕西省科技厅自然 基础研究计划资助项目 （2018JM5152） 移动扫码阅读 试验 研究 1 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 4甲烷最大爆炸压力曲线 Fig．4Maximum explosive pressure curves of methane 的范围为从坐标原点到 （50 m， 4 m， 4 m） 。 对应的瓦 斯浓度为 8．5、 9．5和 10．5。 1．2网格划分 数值模拟过程中将整个巷道设为计算区域， 采 用均匀网格划分， 在保证计算精度的前提下， 在 x、 y、 z 轴 3 个方向的网格数依次为 400、 8、 8 个。在巷 道 x 方 向 的（10．75、 40．75、 72．75、 104．75、 136．75、 168．75、 198．75 m）处分别设置了 7 个监测点， 用来 监测爆炸过程中特性参数的变化情况，网格划分如 图 2。 1．3基本假设 瓦斯爆炸是一个复杂的物理、 化学反应过程， 其 中包括流体的流动扩散、多孔介质传热、表面的化 学反应、气体产物 如 CO、 H2O 等 的生成与扩散 等，这些过程决定了瓦斯爆炸反应的最终特性。为 了简化计算，从问题的实际情况出发，对模型做如 下合理假设 管道内的爆炸气体满足真实气体状态 方程;甲烷爆炸过程为单步反应; 爆炸过程为绝热过 程， 忽略受限容器装置与外界环境的热交换。 2数值模拟结果及分析 2．1爆炸压力的变化 浓度 9．5时甲烷爆炸压力曲线如图 3。从图 3 可以看出，随着爆炸压力从距离点火端最近的位置 逐渐向远处依次传播，各测点的爆炸曲线也是依次 出现初值。从整体上看，密闭空间内瓦斯爆炸压力 曲线的最显著特征就在于压力曲线的反复波动， 出 现多个压力峰值。而存在泄压的压力曲线一般只有 1 个压力峰值， 这是二者最明显的区别。 但这也与泄 压口的面积和瓦斯浓度存在一定关系。根据文献[10] 来看， 在浓度较高和泄压口较小的情况下， 爆炸压力 会出现波动。观察图 3 中的压力曲线，各测点的压 力是从近到远依次达到第 1 个压力峰值的，而第 2 个压力峰值则是从远到近依次出现。这个现象是由 于密闭空间所造成的压力波反向传播而产生的。对 于前 6 个观测点， 2 次峰值间隔时间明显， 测点 7 的 反向压力波峰值并没出现，这可能是因为此观测点 距末端太近导致正向波和反射波出现了叠加。 各浓度下甲烷最大爆炸压力曲线如图 4。 各浓度下曲线的变化规律呈相同趋势。前 3 个 观测点的压力依次下降，在测点 4 和测点 5 先是略 有上升然后稍微下降， 之后一直上升， 且上升的斜率 图 1巷道模型 Fig．1Roadway model 图 2网格划分 Fig．2Grid division diagram 图 3浓度 9．5时甲烷爆炸压力曲线图 Fig．3Methane explosion pressure curves at 9．5 concentration 2 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 较大。这说明从第 5 个观测点开始，密闭条件对压 力的影响很大，距离末端的密闭越近，其影响程度 也越大。 从各种浓度对最大爆炸压力的比较而言，甲烷 浓度为 10.5时的爆炸压力影响大于 9.5， 而浓度 为 8.5时的最低。 尤其是对点火端和末端的影响最 为显著，而末端的影响又大于点火端。这说明在末 端产生的反向冲击波在传播的过程中，能量不断耗 散，直至传播到起始段又开始正向传播。而第 4 观 测点的最大爆炸压力略高于第 3 和第 5 观测点的原 因有可能是多个压力波叠加的结果。 2.2爆炸温度的变化 瓦斯浓度 9.5时各测点温度曲线如图 5。 各观测点的温度随时间的推移依次上升。测点 1 至测点 5 依次在某一时间段温度会突然上升， 达 到 1 个很高的值。这主要是因为火焰封面在此时刻 传播到此点而引起。之后温度会出现多次波动， 但 不同的是测点 1 至测点 3 的波动较测点 4 至测点 5 号观测点的温度波动幅值要小的多。这可能是由于 压力波的传播过程导致火焰在经过测点 4 至测点 5 的位置时的会出现反复， 在经过这 2 个点时， 温度突 然升高；当火焰的传播由于压力作用而收缩不能通 过这 2 点时， 温度突然降低。 但对于测点 1 至测点 3 点，由于处在燃料区或距燃料区近，则火焰在这一 段的传播受压力波的影响较小，因此只出现较小的 波动。 对于测点 6 至测点 7， 其温度相对于其他 5 点 是非常小的，这说明火焰并未传播到这一段，而温 度升高的主要因素是热辐射和压力对空气压缩而产 生的温度变化。 在不同浓度条件下，各测点最高温度曲线如图 6。整体上来看， 和对压力的影响相同， 10.5时的最 高温度值最大， 其次是 9.5时的最高温度， 最低的 是 8.5时的最高温度。浓度为 9.5和 10.5时的 数值比较接近，在各测点的值依次呈现先下降然后 略上升最后再减小的规律， 而浓度为 8.5时的最高 温度一直呈下降趋势。这也说明了浓度为 9.5和 10.5时的反应比 8.5时要强烈得多。第 7 点的压 力较第 6 点略有上升可能是由于压力波对空气的压 缩焓变所导致。 2.3火焰形态的发展变化 由于气体燃烧反应发生在火焰锋面，可以通过 燃烧产物的生成过程来观察火焰的传播过程的形状 和速度变化。根据上述分析可知，无论是最大爆炸 压力还是最高温度都是当甲烷浓度为 10.5时其值 最大， 因此选取浓度为 10.5时， 不同时刻火焰形态 发展过程如图 7。 从图 7 可以看出， 在 1 s 以前， 火焰传播速度较 慢，且巷道上部火焰传播速度较下部要更快；传播 至 1 203 ms 时， 火焰面被拉伸的更宽， 传播速度较 上一阶段明显加快； 当传播到 1 475 ms 时， 火焰锋 面前端已经接近第 6 监测点，巷道下部的火焰锋面 后端也基本赶上了上部的火焰后端，这一阶段火焰 传播速度较上 2 个阶段更快。之后由于受压力作用 火焰锋面前端不在向前传播，火焰后端继续向前传 播， 但传播距离很短； 当传播到 1 625 ms 时， 火焰已 表现为明显的反向传播，火焰锋面向后移动。虽然 这是浓度 10.5时的火焰发展状况， 但根据相似性， 说明了对上述 2 小节现象的解释应该是正确的。在 1 725 ms， 火焰已不再规则， 说明出现了湍流现象， 之后湍流现象越来越明显， 直到反应结束。 图 5浓度 9.5时各测点温度曲线 Fig.5Methane explosion temperature curves at 9.5 concentration 图 6各测点最高温度曲线 Fig.6Maximum temperature curves of each measuring point 3 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 7火焰形态发展过程 Fig．7Diagram of flame morphology development 3结论 1 ） 密闭空间内， 由于压力波的反射作用导致瓦 斯爆炸压力曲线多次波动，且波动幅值大，出现多 个压力峰值，这是和存在泄压口的爆炸环境的最大 区别， 且爆炸压力远远大于存在泄压口的环境。 2 ） 在爆炸传播过程中， 各点的爆炸温度按距点 火位置的远近随时间推移依次开始升高且在某一点 突然出现极大幅度的上升，之后温度出现波动， 在 距离燃料区较近区域波动幅度小，在稍远的距离波 动幅度大。而在距末端较近的距离，温度升高的幅 度较前面的监测点而言值非常小。 3） 对比不同浓度的甲烷， 其对爆炸最大压力和 最高温度的影响规律相同。浓度为 10．5的甲烷气 体的影响最大， 9．5的次之，而 8．5的则最小， 且 10．5和 9．5的值较接近， 8．5的差距较其他两者 较大。 4） 爆炸过程中， 火焰形态出现明显变化。开始 阶段， 火焰传播速度加快， 火焰锋面被拉伸变长， 但 传播到第 6 监测定附近后由于压力作用会反向传 播。之后出现湍流现象， 直至反应结束。 参考文献 ［1］ 钟元华， 孙继宏．煤矿瓦斯爆炸原因分析与防治 ［J］ ． 企业技术开发， 2014， 33 （11） 172－175． ［2］ 李鹏．密闭空间瓦斯爆炸温度与压力变化规律研究 ［D］ ．阜新 辽宁工程技术大学， 2015． ［3］ 田诗雅， 刘剑， 高科．密闭管道瓦斯爆炸冲击波冲量及 压力上升速率的实验研究 ［J］ ．中国安全生产科学技 术， 2015， 11 （8） 16-21． ［4］Maria Mitu, Elisabeth Brandes． Explosion para-meters of methanol air mixtures ［J］ ． Fuel, 2015, 158 217． ［5］SHEN Xiaobo, ZHANG Bo, ZHANG Xiaoliang, et al． Explosion behaviors of mixtures of methane and air with saturated water vapor ［J］ ． Fuel, 2016, 177 15-18． ［6］ 白岳松．受限空间瓦斯爆炸传播规律数值模拟研究 ［D］ ．太原 太原理工大学， 2012． ［7］ 罗振敏， 张群， 王华， 等．基于 FLACS 的受限空间瓦斯 爆炸数值模拟 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （8） 1381． ［8］ Ulrich Bielert, Martin Sichel． Numerical simul-ation of premixed combustion process in Closed tubes ［J］ ． Com－ bustion and Flame, 1998, 114 （3） 397-419． ［9］ 陈晓坤， 郭丽萍， 程方明， 等．独头巷道瓦斯爆炸的数 值模拟 ［J］ ．煤矿安全， 2012， 43 （7） 20-22． ［10］ 罗振敏， 毛文龙， 张娟， 等．泄压点火不同端管道内甲 烷爆炸特性数值模拟 ［J］ ．工业安全与环保， 2017， 43 （11） 13-18． ［11］ 罗振敏， 苏斌， 程方明， 等．基于 FLACS 的煤矿巷道 截面突变对瓦斯爆炸的影响数值模拟 ［J］ ．煤矿安 全， 2018， 49 （1） 183-186． 作者简介 罗振敏 （1976） ， 女， 山东兖州人， 教授， 博 士， 西安科技大学安全科学与工程学院副院长， 主要从事可 燃性气体爆炸防控理论及技术方面的研究。 （收稿日期 2019-01-11； 责任编辑 王福厚） 4 ChaoXing