不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤 炭 学 报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性 裴蓓1 ，张子阳1 ，潘荣锟1 ，余明高2 ，陈立伟1 ，温小萍1 1 ．河南理工大学煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作4 5 4 0 0 3 ；2 ．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4 0 0 0 4 J 4 摘要在全透明有机玻璃管道中，利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统 P I V ，从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强 度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性，并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表 明3 种工况下，随着甲烷体积分数的增加，爆炸超压和压力上升速率明显增高，压力峰值来临时刻 减小，且当体积分数超过8 ．5 ％后，压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征；复合火焰 传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况，且复合火焰传播速度一位置曲线均呈波动上升特征；甲烷的体积 分数越接近当量比，爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高；甲烷体积分数为 9 ．5 ％和8 ．5 ％时，复合火焰呈“倒钩形”，之后很快出现火焰加速；而甲烷体积分数降至8 ．5 ％后，复 合火焰亮度降低，结构呈现破碎和不连续的形态特点。P I V 测试表明甲烷体积分数为9 ．5 ％时， 初始爆炸强度高，波前流速快，煤粉可随冲击波整体快速运动，卷扬区整体湍流强度较高，大大加快 了煤粉与空气的混合速度，促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2 种 参数相结合是造成甲彬煤尘复合火焰不断加速的原因。 关键词瓦斯爆炸；煤尘卷扬；煤尘爆炸；火焰加速；火焰传播特性 中图分类号T D 7 1 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 4 9 8 0 9 F l a m ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s b ys h o c kw a V e s 0 fd e p o s i t e dc o a ld u s te x p l o s i o ni n d u c e d o fd i f f e r e n ti n t e n s i t i e s P E IB e i l ，Z H A N GZ i y a n 9 1 ，P A NR o n g k u n l ，Y UM i n g g a 0 2 ，C H E NL i w e i l ，W E NX i a o p i n g 1 ．爿e n o nP ，‘o 口i n c ec o f f 口6 0 ，也￡z ∥e ，n n o 口o ￡i o n 力凡￡e r 矿c o n z5 q 砖￡ym d “c ￡o o n ，爿e n o n 肋0 幢e c h n ‘c “n l 口e ，5 i 秒，J i n 0 2 u D 4 5 4 0 0 3 ， m ‘几8 ；2 ．5 f Ⅱ把K ∞‘』以6 0 ，也￡o 叫 o ，c o o Z 胁n eD i 5 础￡e rD “ n m 泐c o 眦r o z ，吼。增g ；n g ‰眈瑚i ￡y ，吼。增q i 增4 0 0 0 4 4 ，∞i n n A b s t r a c t I naf h U yt r a n s p a r e n to r g a n i cg l a s sp i p e l i n e ，t h ee x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dn a m ep I ’o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd e p o s i t e dc o a ld u s te x p l o s i o ni n d u c e db yg a se x p l o s i o nw e r es t u d i e df t o me x p l o s i o no v e r p r e s s u r e ，n a m ep r o p a g a t i o ns p e e d ，n a m et e m p e r a t u r ea n dt h ee v o l u t i o n1 a wo fc o m p o u n dn a m es t m c t u r e ，u s i n gs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ， h 远h s p e e dc a m e ms y s t e ma n dh i g h s p e e dp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r ys y s t e m P I V ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e r t h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h e e x p l o s i o no V e r p r e s s u r ea n dp r e s s u r er i s er a t ei n c r e a s e do b v i o u s l yw i t ht h ei n c r e a s eo f m e t h a n ev o l u m ef } a c t i o n ，a n dt h ea 捕v a lt i m eo fp r e s s u r ep e a kd e c I e a s e dg r a d u a l l y ．W h e nt h em e t h a n ev o l u m ef - a c t i o n e x c e e d e d8 ．5 ％，t h ep r e s s u r e t i m ec u n ，ea n dp r e s s u r er i s er a t e t i m ec u n r es h o w e ds o m eo b v i o u so s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ．T h ep r o p a g a t i o ns p e e do ft h ec o m p o u n dn a m ew a sm u c hg r e a t e rt h a nt h a tu n d e rp u r em e t h a n ee x p l o s i o nc o n d i 一 收稿日期2 0 1 9 1 2 一1 6修回日期2 0 2 0 一0 5 1 8责任编辑钱小静D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／jc n k i j c c s ．2 0 1 9 ．1 7 3 7 基金项目国家重点研发计划资助项目 Y F c 2 0 1 8 0 8 0 8 1 0 0 ；中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 8 M 6 3 0 8 1 8 ， 2 0 1 9 T 1 2 0 6 2 21 作者简介裴蓓 1 9 8 2 一 ，女，河南汤阴人，副教授，博士。E m a i l s m a n l 2 8 1 2 6 ．c o m 通讯作者余明高 1 9 6 3 一 ，男，四川泸州人，教授，博士。E m a i l 1 3 3 3 3 9 1 0 8 0 8 1 2 6 ．c o m 引用格式裴蓓，张子阳，潘荣锟，等．不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 4 9 8 5 0 6 ． P E IB e i ，Z H A N GZ i y a “g ，P A NR o n g k u n ，e ta 1 ．F l a m ep r o p 8 9 a t i o nc h a m c t e s t i c so fd e p o s i t e dc o a ld u s te l p l o s i o n i n d u c e db ys h o c kw a v e so fd i f f e r e I l ti n t e n s i t i e s 【JI ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 4 9 8 5 0 6 ． 移动阅读 万方数据 第2 期裴蓓等不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性 4 9 9 t i o n ，a n dt h ev e l o c i t y p o s i t i o nc u r v eo fc o m p o u n dn a m es h o w e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn u c t l l a t i o na n dr i s i n g ．T h ec l o s e r t h eV o l u m eI t a c t i o no fm e t h a n et ot h ee q u i v a l e n c er a t i o ，t h eh i g h e rt h ee x p l o s i o no V e r p r e s s u r e ，w a V ef r o n tV e l o c i t y ， n a m ef 而n tt e m p e r a t u r ea n di t s t e m p e r a t u r er i s i n gr a t e ．W h e nt h ev o l u m ef h c t i o no fm e t h a n ew a s9 ．5 ％a n d8 ．5 ％， t h ec o m p o u n dn a m ew a s “b a r bs h a p e d ”，a f t e rt h a t ，t h en a m ea c c e l e r a t e dr a p i d l y ．H o w e v e r ，w h e nt h ev o l u m ef I a c t i o n o fm e t h a n ed e c r e a s e dt o8 ．5 ％，t h eb r i g h t n e s so ft h ec o m p o u n dn a m ew a ss l i g h t l yl o w e r ，a n dt h es t r u c t u r ew a sb r o k e n a n dd i s c o n t i n u o u s ．T h er e s u l t so fP I Vt e s ts h o w e dt h a tw h e nt h ev o l u m ef h c t i o no fm e t h a n ew a s9 ．5 ％，d u et ot h eh i g h i n i t i a le x p l o s i o ni n t e n s i t ya n dw a v ef 而n tv e l o c i t y ，t h ec o a lp o w d e rm o v e dm p i d l yw i t ht h es h o c kw a v e ，a n dt h et u r b u - l e n c ei n t e n s i t yi nt h ew i n c ha r e aw a sh i g h ，w h i c hg r e a t l ya c c e l e r a t e dt h em i x i n gs p e e do fp u l v e r i z e dc o a la n da i r ，a n d p r o m o t e dt h ec o m b u s t i o no fp u l v e r i z e dc o a l ．T h e r e f o r e ，t h ec o m b i n a t i o no fh i g h e rs h o c kw a v ef I D n tv e l o c i t ya n dn a m e s u d l a c et e m p e r a t u r ei st h er e a s o nf o rt h ec o m i n u o u sa c c e l e r a t i o no fm e t h a n e ／c o a ld u s tc o m p o s i t en 锄e ． K e yw o r d s g a se x p l o s i o n ；c o a ld u s th o i s t i n g ；c o a ld u s te x p l o s i o n ；n a m ea c c e l e r a t i o n ；n a m ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 瓦斯爆炸是影响煤矿安全生产的“头号杀 手”。煤矿中重大爆炸事故往往是由瓦斯、煤尘共 同参与爆炸引起的，瓦斯爆炸产生的冲击波在传 播过程中不断卷吸巷道四周沉积煤尘，形成分布 不均匀的可燃性粉尘云，随之受到高温火焰面引 燃，以不间断爆炸的形式传播J ，导致瓦斯／煤尘 爆炸具有更高破坏性。 近年来，国内外学者对瓦斯／煤尘爆炸特性及其 影响因素展开了实验与数值模拟研究。司荣军旧J 、 李庆钊∞J 、屈姣MJ 、李润之川、H u 雹S c A RM E D I N A ‘6 ‘、z H A oP e n g ‘7 | 、汤其建‘8 I 、王博‘9 | 、王育德㈣、 王洪雨1 。、宫广东2 | 、毕明树列等研究了甲烷含量、 挥发分、煤尘粒度、分散度、质量浓度等对不同挥发分 煤尘爆炸浓度下限、爆炸压力、点火能等影响，指出甲 烷的存在使甲烷／煤尘混合物点火的下限降低，最大 压力上升速率增大，爆炸持续时问明显缩短；煤尘爆 炸下限随挥发分增大而减小；点火下限随点火能量的 增加而降低，随煤尘挥发分的减小而上升，随煤尘粒 度的减小而降低；煤尘粒径越小，分散度越大，爆炸下 限降低且爆炸压力升高。陈东梁等4 ‘1 纠研究了燃料 组分构成、煤尘粒径和煤尘种类对甲烷／煤尘复合体 系燃烧反应特性和火焰结构的影响。L I u 等钊研究 表明煤尘和甲烷共存显著提高了火焰的传播速度和 最大火焰温度，大大高于单一煤尘火焰的传播速度和 最大火焰温度。陆守香等刊研究发现气粉复合火焰 是由气体火焰、粉尘火焰和反向传播的粉尘火焰构成 瞬态的三波阵面结构。 董呈杰副采用实验和数值模拟相结合的方法， 对管道内的甲烷气相爆炸和甲烷／煤尘混合爆炸过程 进行了研究。c A O 等9 。2 0 1 通过实验和数值模拟研究 了半封闭垂直燃烧管中煤尘爆炸过程中的火焰传播 行为和热辐射效应，结果表明随着管长的增加，火焰 的最高传播速度和最大火焰温度均逐渐增加。李海 涛等怛构建了竖直管道内甲肜煤尘预混扩散及爆 炸物理数学模型，对管道内甲J 烷／煤尘的扩散特征和 爆炸过程进行了数值模拟，分析了管道内甲烷／煤尘 预混湍流特征及爆炸火焰传播过程。 冲击波诱导煤尘爆炸方面，H 0 u I M 等旧纠研究了 铺设煤尘层稀薄致度密对爆炸结构与火焰速度的影 响。结果表明松散的煤尘层比致密层更危险，冲击 波和火焰波更强烈地耦合于松散的煤尘层，以更高的 速度传播，并产生大的过压和脉冲。朱传杰、林柏泉 等心3 。驯研究了沉积粉尘密度、波前流速、粉尘粒径等 对扬尘特征的影响，分析了不同位置处的最大爆炸压 力和火焰出现时问，探讨了气流与沉积煤尘床相互作 用的气体动力学机理及其诱导的化学反应历程。刘 丹‘25 。、李润之‘2 6 。28 I 、胡双启‘29 | 、尉存娟等‘3 0 1 分析了 瓦斯爆炸引起沉积煤尘卷扬爆炸的机理，并研究了煤 尘上扬的原因和爆炸压力的变化规律。S O N G 等∞卜3 2 1 为了研究局部瓦斯爆炸诱发积灰燃烧的规 律，对粉尘喷射和参与瓦斯爆炸过程进行了数值模 拟。 综上所述，现有研究主要围绕瓦斯／煤尘共存时 爆炸超压、火焰传播速度等爆炸特性展开。由于煤矿 瓦斯／煤尘爆炸火焰是一个由冲击波引导的煤尘云火 焰形成的复合体，冲击波强度对沉积煤尘的卷吸效果 有重要影响，而目前对复合冲击火焰的形成与火焰加 速方面的研究较少。为此，有必要进一步研究不同爆 炸强度下的煤尘卷吸特征，以揭示其对瓦斯／煤尘爆 炸火焰加速的影响。 故此，笔者在前人研究的基础上，搭建了冲击波 诱导沉积煤尘爆炸实验平台，以褐煤煤粉为研究对 象，分析冲击波作用下煤尘云的卷吸特征，研究不同 爆炸强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播规律及 影响因素，探讨复合火焰的加速机理。 万方数据 5 0 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 l实验装置及工况 1 ．1 实验装置介绍 实验平台由方形透明有机玻璃管道、配气系统、 高压点火系统、高速摄像图像采集系统、高速粒子成 像测速系统、同步控制以及数据采集系统等组成，如 图l 所示。爆炸管道由两根分别为1 5 0m m 1 5 0m m 4 0 0m m 的充气管道和1 5 0m n l 1 5 0m m l0 0 0m m 的煤尘铺设管道连接组成，管道一端固定 封闭另一端活动封闭，两根管道中问安装一尺寸为 1 5 0m m 1 5 0I T l n l 2m n l 的方形钢板，中心位置有一 直径为1 0 0n n 的圆孔，实验时用P V C 薄膜对中间连 接钢板处和管道末端进行密封。相比于其他形状的 孔型，圆孑L 对火焰产生的影响最低一⋯，也r I r 避免因破 膜位置不同造成较大差异的卷扬效果。 配气系统由2 个A l i c a I 质量流量控制器 M F C 组成，用于控制甲烷、空气的流速并输送到充气管道 中。高压点火系统由H E l l 9 系列高能点火器、点火 电极组成，点火电压为6k V 。压力和火焰温度采集 由U S B 一1 6 0 8 F sP l u s 型数据采集卡、M D H F 型高频 压力传感器和自制R 型微细热电偶组成，i 力传感 器的量程为一o ．1 ～o ．1M P a ，综合精度为o ．2 5 ％。高 速摄像图像采集系统由s p e e 1s e n s eV E 07 1 型高速 摄像机、图像控制器和图像处理系统组成，最大分辨 率为12 8 0 像素8 0 0 像素，拍摄速度为20 0 0f f s 。 门；／J f 0 感器 温度传感器【2 0 0 ／3 0 0 i 、峰震铲占 爹蒜吐蝠呵f F c 冒{ r _ √JA } 蒜 枷 J 高燕崧 图l 实验系统 F i g ．1E 。p e r i n l e n t H l8 y s I e n ld i a g r a l l l 1 ．2 实验工况与方法 实验选用褐煤煤粉为研究对象，煤样详细工业分 析见表l 。甲烷的体积分数分别为7 ．5 ％，8 ．5 ％和 9 ．5 ％。实验前，在铺设煤尘管段底部均匀铺设煤尘 层，其铺粉位置离圆孔处2 0 0m m ，铺设长度为 3 0 0m m ，铺粉量为3 ．2g 。实验前，用薄膜将管道密 封后，采用4 倍体积排气法向充气管段充人C H 。／A i r 预混气1 34 ，6m i ，、后关闭进气和排气阀门并静置1 5s 后点火。同步控制器和高速摄像机处于等待触发状 态，当点火装置启动后，同步开启高速摄像机和数据 采集系统，记录温度和压力数据。每个测试至少重复 3 次，以确保重复性。 表l 煤尘工业分析结果 T a b l el I n d u s t r ya n a l y s i sr e s u l t so fc o a ld u s t ％ 1 ．3 煤粉的形状特征与粒径分布 实验选用经3 0 0 目标准筛筛分的样品，分别采用 N H T 5 2 0 0 型激光粒度分析仪和F E 卜F E G 2 5 0 场发射 扫描电镜测量了实际褐煤煤样的粒径分布情况 和s E M 图像，如图2 所示。从网2 中可以看f } j 煤粉 的微观形状为标准的块状，其平均特征直径D 。为 2 0 ．7 5u m ，表明煤尘的分散。陛良好。在每个实验开 始前，将煤粉粉尘储存在2 5 ℃的f 燥器中2 4h ，以消 除水分。 图2褐煤煤粉的粒径分f f j 及s E M 图像 F i g ．2 P a r t j r l PH i z Pt l i s l r j l u t i o na 1 1 I lS } Mi n l a g eo fl i g l l i t P h I s t 2 实验结果讨论 2 ．1 不同爆炸强度下压力分析 图3 为3 种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压力一 时问曲线。由图3 可以看出，甲烷被引爆后冲破管道 中问的P V c 薄膜，爆炸压力曲线出现了第1 个小峰 值；之后由于冲击波将煤尘扬起能量损耗和加热煤 尘，致使压力下降；当有足够的煤尘热解挥发后，甲 烷／煤尘复合体系的爆炸超压骤升，由于出口端P V c 薄膜破裂泄压，达到压力平衡后出现压力最大值；此 后由于负压作用，火焰冲出管道后负压回吸新鲜空 气，继续卷扬剩余的煤粉燃烧，如此反复，致使压力曲 线i f { 现了衰减性振荡。结合图4 中3 种强度冲击 波 诱导沉积煤尘爆炸压升速率一时间曲线可以看出，压 升速率曲线也呈振荡态势，且最大压力上升速率出现 万方数据 第2 期 裴蓓等不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性 5 0 1 一 在第2 个燃烧波，说明对于气粉两相爆炸体系，爆炸 泄压后因新鲜空气回吸且管道内留存较多煤粉，后续 还可发生多次爆炸。为了利用P I V 获得清晰的煤尘 粒子分布图像，煤粉铺粉量仅为3 ．2g ，如果铺粉量增 加，强爆炸时将会形成足够质量浓度的煤尘云，二次 爆炸超压则有可能超过首次爆炸。该现象值得今后 在瓦斯／煤尘爆炸等气粉两相爆炸事故预防中注意。 图3 3 种强度冲- 打波诱导沉积煤尘爆炸压力一时问曲线 F jg ．3 P r e s s u l ’e 一“n l e u n ，e so f ‘ a l 1 u s fe x p l s i f mi n i u - e Ih v t h l ’F ek i I l c l so fs h o c k 、v a v e s 图4 3 种强度冲- 抒波诱导沉积煤尘爆炸压升速率一 时间曲线 F j g 4 P r e s s u r ℃1 1 j s Pr a f e t i n l ec L I I ’V e so f - J a ld u sce x D k s i n i n { u c e 1l ，vt h l ‘e ek i n d s fs h - kw a v e s 另一方面，爆炸冲击波对沉积煤尘的卷扬效果主 要由波前气体流速控制【2 3 j 。然而，通常波前流速的 测量在实验条件下很难获得。笔者主要通过控制甲 烷体积分数获得不同的初始爆炸强度，冲击波进入铺 粉管段后可产生不同水平的波前流速。结合图3 ，4 ， 当甲烷体积分数为7 ．5 ％时，压力曲线只有1 个破膜 峰值，且峰值来临时间显著延迟，这是由于波前流速 过低，火焰传播到铺粉管段时仅有很少量煤尘被轻微 扬起，致使煤粉热解产生的可燃挥发性气体不足，甚 至消耗了冲击波能量，火焰传播则不能继续。然而， 当甲烷的体积分数为9 ．5 ％时，爆炸超压峰值增至 3 2 ．9k P a ，是甲烷体积分数为8 ．5 ％时的2 ．3 倍，最大 峰值来临时刻提前了7 6 ．7 ％；压升速率峰值为 7 ．1 k P a ／n l s ，是甲烷体积分数为8 ．5 ％时的2 ．7 倍。 可见，3 种工况下当甲烷的体积分数接近当量比时， 波前流速越大，越有利于更多煤尘被卷扬，形成足够 质量浓度的煤尘云参与热解，导致强爆炸产生。 2 ．2 不同爆炸强度下火焰温度分析 图5 ，6 分别为3 种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸 火焰温度一时问曲线和火焰温度峰值及来临时刻随冲 击波强度变化曲线。由图5 ，6 可以看出，火焰温度曲 线出现骤升现象；在3 种工况下，最大火焰温度随着甲 烷体积分数接近当量比线性上升，分别为6 9 9 ，9 2 2 和 1 2 1 9 ℃，而火焰温度峰值来临时刻则线性下降，且结 合图4 火焰温度峰值来临时刻与爆炸超压峰值来临时 刻保持一致，说明当甲烷的体积分数接近当量比时，煤 粉燃烧产生的热量远大于煤粉热解需要的热量，导致 火焰温度急剧升高，支持了强爆炸的传播。 图5 3 种强度冲击波诱导i C 积煤尘爆炸火焰温度一 时问曲线 F i g51 - n l p e r a “J r e t i l l l e ‘u 1 ．V e so fc a 1 【i u s ie x p h s i o nf l a m e j n 】u c e db vt h l ’e ek “l 1 so fs h 。kw a v e s 冈6 火焰温度峰值及来临时刻随冲击波强度变化曲线 F i g ．6 C uJ 1 V e s ft e l l l l e r a I u I ’。p e a ka n 1 i l sd r r i v a lt i n l ew i t h s h o c kw a v e si n t e n s i t v 利用S a V i t z k y G o l a y 方法对爆炸温度的演化 进行了过滤与计算，得到了3 种强度冲击波诱导沉积 煤尘爆炸温升速率一时间变化曲线，如图7 所示。可 以看出甲烷体积分数对复合火焰温升速率有重要影 响。最明显影响是在温升速率的半峰时间宽度上，体 积分数为9 ．5 ％甲烷诱导煤尘爆炸火焰温升速率曲 线的半峰时间宽度分别是8 ．5 ％和7 ．5 ％时的2 2 ．4 ％ 和5 6 ．7 ％，说明随着甲烷体积分数接近当量比，初始 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 爆炸强度增加，有更多的煤粉参与到爆炸的过程中， 从而导致煤尘的燃烧速度加快。图8 为复合火焰最 大温升速率及其来临时刻随甲烷体积分数变化曲线。 可以看出，3 种工况下最大温升速率随着甲烷体积分 数的增加而增加，且在8 ．5 ％～9 ．5 ％增长更显著；而 温升速率峰值来临时间随着甲烷体积分数的增加线 性降低，也说明了当甲烷体积分数接近当量比时，更 多的煤尘热解促使火焰温度快速上升。 ， g ● U 已 褂 删 束 赠 图73 种强度冲击波诱导沉积煤 企爆炸火焰温升速率一 时问曲线 F 培．7T e m p e r a t u I ’e 瞒er a t e 一曲1 e ‘u r v e so f 1 0 a 】 1 L l s tP x f l o s i o n n a I l l ei n 1 u 1 e 1l J v “1 1 1 e ek i n I so fs h o c kw a v e s ， 量 ● U 巳一 甜 划 电 赠 图8 复合火焰最大温升速率及其来临时刻随甲烷体积 分数变化曲线 F i g ．8 u l l v e sn ff 1 1 em a x i n 儿l n l m 1 1 1 p e r a t u r er i s e r a l Fa 1 1 1i t s a r r i v a lt i l l l e f ‘o I ”1 1 e xn a n l ew i I hn 】e t l l a n ev J L l l l l en ’a t i n 2 ．3 不同爆炸强度下火焰传播速度分析 火传播速度是根据火焰前沿位置随时间变化而 获得，其计算式为 ” L ，，一L ，． ／ t 2 一￡1 】 式中，L ，．和￡，分别为￡．时刻和￡时刻的火焰前沿 位置；￡．和￡，为时间。 图9 ，l o 分别为3 种强度冲击波诱导沉积煤尘爆 炸火焰速度一时问曲线和火焰速度一传播距离曲线。 由图9 ，1 0 可以看出，首先，在无煤粉时，体积分数为 8 ．5 ％和9 ．5 ％的甲烷爆炸火焰在通过圆孑L 障碍物时 出现了明显的首次加速，在4 0 0m m 处的火焰速度分 别为2 0 ．3m ／s 和1 4 ．0m ／s ，产生的首次火焰加速最 大值分别为11 7 ．4m ／s 和8 9 ．9m ／s ，说明本文中的障 ， 们 ● g 刨 删 鳃 坦 嫂 ≤ ， 们 ● g ≤ 蜊 删 鞭 巡 蛙 亡 时间／m s b 32g 煤粉 图93 种强度冲。i 波诱导煤 兮爆炸火焰传播速度一 时间曲线 F i g ．9 F l a l l l eV e l J ’i l y 一【i 1 1 1 e 1 u l - v e so f ’ a l 1 u s te x f l s i o n i 1 1 t l L J ’P Ih vt h l ’e Pk i l l 1 so t ls h kw a v e s ， ∞ ● 基 ≮ 蜊 蚓 蜒 坐 蟥 ≤ 火焰传播距离／m m a 无煤粉 火焰传播距离／m m b 32g 煤粉 图1 03 种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播速度一 传播距离曲线 F i g ．10 F l a n l eV e l J 。i t y p o s i t i o n u r v e so fc o a ld u s te x p l o s i n i n h ⋯e { 】 vl h r e ek i d so fs h o c kw a v e s 万方数据 第2 期 裴倍等不M 幔度冲．h 波诱导沉{ { { 煤巾爆炸火焰传播特巾 碍物对火焰波有明显的激励作用。此后，由于后半部 分管道没有f 1 T 燃物补充和高速环境中空气的黏性及 管壁的摩擦作用，火焰速度急速衰减；之后由于管道 末端封闭膜破裂新鲜空气补充，火焰波在管壁约束作 用下再次加速。对于体积分数为7 ．5 ％的【} J 烷爆炸 火焰，在4 0 0n Ⅵn 处的火焰速度仪为6 ．8m ／s ，火焰穿 过中间圆孑L 后很快熄灭，结合图3 ，4 可以看出，这是 由于点火后产生的爆炸超压低且没有明显负压，说明 没有足够的新鲜空气补充，燃烧不能维持。 其次，当铺设煤尘管道中铺设3 ．2g 煤粉时，3 种 甲烷体积分数下4 0 0m m 处的火焰速度分别为2 1 ．2 ， 1 4 ．5 和7 ．1m ／s ，进入铺设煤尘管道的时问缩减至 5 1 ．5 ，7 1 ．0 和1 0 0 ．0m s ，产生的首次火焰加速最大值 突增至1 5 8 ．3 ，l3 4 ．8 和1 9 ．6m ／s 。这是冈为由于初 始爆炸后，在火焰进入铺设煤个管道之前沉积煤尘就 被冲击波卷扬，煤尘粒子悬浮在圆孔周围且在火焰面 的高温下热解并释放可燃性气体，当火焰面到达圆孑L 时，可燃气体被点燃形成甲烷／煤尘复合火焰。冈此， 初始爆炸威力越大，波前流速和火焰锋面温度更高， 卷扬煤尘云的浓度和热解程度也越高，导致复合火焰 传播速度快速提高。 最后，通过障碍物后复合火焰传播速度一位置曲 线均呈波动上升特征，体现出煤坐颗粒不断被卷扬且 参‘j 热解燃烧。其中，9 ．5 ％【_ } _ I 烷时复合火焰传播曲 线叮分为波动卜升和加速上升2 个阶段，由于此时卷 扬煤令体积分数和火焰锋面温度高，较多煤粉快速热 解致使复合火焰传播很快出现加速；8 ．5 ％甲烷时由 于卷扬煤尘体积分数和火焰锋面温度较低，复合火焰 传播速度曲线旱振荡形态向前传播；而7 ．5 ％甲烷时 由于初始爆炸威力低，少量煤粉扬起后，火焰只是原 地缓慢燃烧，并未引起加速。 2 ．4 不同爆炸强度下火焰结构分析 罔1 1 为3 种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火 焰传播过程。由㈥l l 可以看出，在甲烷火焰进入 煤尘铺设管道前的早期阶段，【f I 烷被点燃后火焰 擎、卜球形向前传播；对比图3 压／J 曲线第1 个小 峰值，3 种体积分数甲烷火焰破膜时问依次为 3 0 ．4 ，4 0 ．0 和5 9 ．3n l s ；在中问薄膜破裂后，火焰 呈指形继续传播。随着甲烷体积分数降低，火焰 突破薄膜后传播至铺设煤粉段的时问从5 2 ．5 Ⅲ 推迟到7 2 ．0m s 和l0 6 ．0n ，s ，不仅在时间上有所 延迟，火焰的亮度也依次变暗。 殳IJ l 3 种强度7 I I I 。f i 波诱导i C 干j { 煤尘爆炸火焰2 。≮构图像 火焰进入铺设煤尘管道后，引燃悬浮煤粉形成甲 烷／煤尘复合火焰。可以看| L “，F f l 烷体积分数的不同 所形成的火焰结构大有差异。其巾甲烷体移{ 分数为 9 ．5 ％时，复合火焰在5 4 ．5 n s 形成“倒钩形火焰”，钩 形结构在下端。“倒钩形火焰”的形成原因』缸是煤粉 沉降和燃烧产生膨胀拉伸效应共同造成的，使得火焰 在传播时不断卷扬更多的煤尘；此后火焰宽度逐渐增 加且明亮，并在5 6 ．5n ，s 时接触管道上壁衙，形成“郁 金香”结构，2m s 后火焰快速传播至管道出【I 。甲烷 体积分数为8 ．5 ％时，复合火焰亮度有所降低，且火 焰结构呈现破碎和不连续的形态传播，直至传播到 8 0m s 时才出现连续的火焰结构。结合2 ．2 和2 ．3 节 火焰温度和火焰传播速度分析，体积分数为8 ．5 ％的 l U l ，1 1 1 S S 93 1 1 1 s l 6 1 1 1 8 | ll n l s l 】6 m s 】2 6 1 1 1 s 】3 60 1 1 1 5 1 4 4 1 1 1 5 ⋯烷爆炸后产生的火焰温度和波前流速相划‘于 9 ．5 ％时小，当火焰通过圆孑L 时不能产生高强度湍流， 使得沉积煤尘卷吸形成的煤尘云浓度较低，最终导致 悬浮煤粉热解的速度和颗粒数都相对减少。而甲烷 体积分数为7 ．5 ％l 卜『，复合火焰在传播过程中基本呈 “蛇形”，表明上部火焰温度和速度高于下部，』1 ．火焰 面积最小，说明此时甲烷火焰在通过障碍物时大部分 能壤被消耗，火焰锋面温度低，只有少许煤尘被扬起、 热解程度太低不足以维持火焰传播。从火焰图片r f I 可以明显的观察到，悬浮和沉积的煤尘只在原地燃 烧，复合火焰并未向前传播。 2 ．5 不同爆炸强度下流场湍流特征分析 为了研究不同强度冲击波历导沉积煤尘卷扬情 万方数据 5 0 4 煤炭 学报 况，本节采用I ’T V 系统，以煤粉作为示踪粒子，对不 同爆炸强度诱导沉积煤尘爆炸瞬间流场的湍流特