置障条件下的矿井瓦斯爆炸传播过程数值模拟研究.pdf

文章编号0253 - 9993200401 - 0053 - 04 置障条件下的矿井瓦斯爆炸传播过程数值模拟研究 徐景德1 ,2,杨庚宇1 1 1 华北科技学院 培训处,北京 101601 ; 21 中国科学技术大学 力学和机械工程系,安徽 合肥 230026 摘 要对瓦斯爆炸传播过程中障碍物激励效应的物理机制进行了分析,并构建了相应的物理模 型.在3种情况下对冲击波经过障碍物附近时的变化特征进行了数值模拟.结果表明,非燃烧区 的障碍物同样存在激励效应,激励效应取决于瓦斯爆炸冲击波的初始强度,即爆轰状态激励效应 最为强烈. 关键词瓦斯爆炸;冲击波;激励效应;数值模拟 中图分类号 TD71217 文献标识码 A 收稿日期 2003-05-22 基金项目国家“973”重点研究资助项目200CB4002007 ;国家自然科学基金资助项目59874030 作者简介徐景德1965 - ,男,安徽枞阳人,副教授,国家注册安全工程师.E - mail xujd1450 ncist1edu1cn Numerical simulation of the barricade encouraging effect in the process of gas explosion propagation XU Jing2de1 ,2, YANG Geng2yu1 1.Training Office ,North China Institute of Science Technology , Beijing 101601,China;21Department of Modern Mechanics , Uni2 versity of Science and Technology of China ,Hefei 230026, China Abstract The physics mechanism of the barricade’s encourage effect in the gas explosion propagation was ana2 lyzed , and the homologous physics model was set up1The numerical simulation was taken for changing charac2 teristic when explosion wave was passing the barricade nearby in three kindsof case1The conclusion showed that the barricades encourage effect exist in burning area and unburning area. The encourage effect was decided by the initial strength of explosion wave , which was the most strong in the case of detonation. Key words gas explosion ; explosion wave ; encourage effect ; numerical simulation 复杂环境下发生的矿井瓦斯爆炸事故原因分析往往需要进行模拟研究,在众多的模拟方法中,数值模 拟由于能定量描述事故过程中主要物理量的变化特征,近年来倍受关注.本文以独头巷道中瓦斯爆炸为研 究对象,在分析爆炸传播过程物理机制的基础上,对置障条件下瓦斯爆炸传播过程进行了数值模拟,并初 步探讨了其应用性. 1 置障条件下瓦斯爆炸传播过程的物理机制 根据统计分析结果,矿井瓦斯爆炸可以看作是甲烷-空气混合气体在弱火源诱导下的气体爆炸.爆炸 过程从时间上分为甲烷点火和气体爆炸传播两个阶段.点火过程属于链式反应过程,在时间上极为短暂; 瓦斯爆炸的破坏性主要体现在爆炸传播阶段[1]. 图1为一独头巷道,其封闭端贮有一定容积的甲烷与空气混合物.预先将混合气体和空气用膜片隔 第29卷第1期煤 炭 学 报Vol. 29 No. 1 2004年2月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYFeb. 2004 开,假定膜片的抵抗力接近于零.在巷道闭端点燃甲烷 气体,火焰面开始以球形波的形式向外扩展,由于壁面 反射及摩擦因素,球形波随即转变为平面波,爆炸冲击 波是一个前驱冲击波波阵面伴随一个火焰波的双波结 构.由于燃烧产生的大量爆炸产物与空气冲击波协同运 动,爆炸波强度沿传播路线不断增强,速度逐渐加快. 随着燃烧结束,爆炸波演变为单纯空气冲击波.由于壁 面摩擦和黏性摩擦,爆炸冲击波沿传播路线呈衰减状 态,最终转变为声波.因此一般情况下,空气冲击波沿 传播路线的变化如图2所示.但是,当传播路线上存在 障碍物时,爆炸冲击波的变化则呈现另一特点.冲击波 经过障碍物时,障碍物使火焰波的火焰面发生皱褶,燃 烧面扩大,燃烧速度加快,火焰波向前驱冲击波提供的 能量速度突然增加,使前驱冲击波的压力、速度等参数 突然上升,即出现激励效应. 激励效应的产生有2种物理机制①因燃烧加速产 生火焰激励;②因障碍物使管道过流断面减小,气流速 度增大,湍流度增加,一部分势能转变为动能,形成湍流激励.激励效应是一种非常复杂的物理现象,受 多个因素的影响.实验室研究已经证明,在一定条件下,激励效应可使气体从爆燃向爆轰状态转变[2 ,3]. 2 数学模型、数值模拟、初始条件和边界 以图1所示的独头管道为对象,障碍物形状为一圆柱体,高度与管道断面相同,直径为管道断面的 1/ 2.为了处理问题的方便,在计算时,忽略CH4- O2的化学反应过程,假定甲烷燃烧后的高温高压气体 为空气,但考虑高温气体的黏性.根据物理机制分析,建立直角坐标下包含多组分气体的N - S方程[4]为 5U 5t 5F 5x 5G 5y 5H 5z 5Fv 5x 5Gv 5y 5Hv 5z ,1 式中, U ρ ρu ρv ρw E , F ρu ρu2 p ρuv ρuw u E p , G ρv ρvu ρv2 p ρvw v E p , H ρu ρw u ρwv ρw 2 p w E p , Fv 0 τxx τxy τxz uτxx vτxy wτxz qx , Gv 0 τyx τyy τyz uτyx vτyy wτyz qy , Hv 0 τzx τzy τzz uτzx vτzy wτzz qz , x ,y ,z为直角坐标参量;ρ为密度, kg/ m3;p为压力, Pa ;u ,v ,w分别为x ,y ,z三个坐标方向 的速度分量, m/ s;q为外部热源, J ;E为内能, J. ρE ρe m2 n2 k2 2ρ , p RuT ρ W , 45 煤 炭 学 报 2004年第29卷 qx μcp Pr 5T 5x , qy μcp Pr 5T 5y , qz μcp Pr 5T 5z , μ为动力黏性系数, NK/ m2;m ,n ,k分别为x , y ,z三个方向的动量, Ns;T为温度, K;Pr为 普朗特参数; cp为定压比热, J/ m K . 如果假设气体Lewis数Le 1, 则ρ Dμ/ Pr ,其中μ采用Sutherland公式得到.为保证方程解的普 适性,对上述方程组进行无量纲化处理.方程无量纲化的参考量为特征长度h0,未扰空气参数为声速a0、 静温T0、密度ρ0和黏性系数μ0. 无量纲的变量为 时间t t t0 ,其中t0 L0 a0 ;空间尺度x x L0 ,y y L0 ,z z L0 ;速度u u a0 ,v v a0 ,w w a0 ; 热力学参数ρ ρ ρ0 ,p p ρ0a2 0 ,T T T0 ,cp cp R0 ,h h R0T0 ,其中R0 a20 T0 ;其它参数μ μ μ0 ,Re ρ0a0L0 μ0 ,省去无量纲量的上标“-”,方程1无量纲化后的形式为 5U 5t 5F 5x 5G 5y 5H 5z 1 Re 5Fv 5x 5Gv 5y 5Hv 5z . 初始条件爆炸管道的高、低压段静止气体的压力和温度.边界条件①沿管道壁面速度无梯度, 法向压力、温度和密度梯度均指定为0 ;②在对称面,考虑对称条件. 图3 圆柱附近的网格 Fig13 The meshes near cylinder 网格生成由于计算域长高比大,网格生成采用 分块方法,在圆柱附近,初始网格采用代数方法生成, 网格修正采用求解偏微分方程组的方法,然后进行网 格缝合.为有效地模拟壁面附近的边界层,计算网格 均按指数分布方式向壁面处吸引.取物理域的1/ 4作 为计算域,图3给出了通道内的网格分布,网格数为 1 001 x 方向15 y 方向25 z 方向 . 为了捕捉流动边界层,贴近壁面附近的网格被指数加密,数值 离散格式采用二阶空间精度的迎风TVD格式. 3 数值模拟结果 把表1的实验测试结果作为初始和边界参数进行了数值模拟. 表1 管道瓦斯爆炸传播数值模拟初始状态参数 Table 1 The initial datum of gas explosion propagation in tube 低 温 区 参 数 p1/ kPaT1/ KU1/ ms- 1 高 温 区 参 数 p2/ kPaT2/ KU2/ ms- 1 101133000607181 8000 为了描述置障条件下瓦斯爆炸传播过程,计算了沿传播路线冲击波的主要参数压力、速度变化特征, 计算结果为①压力等值线分布,障碍物附近压力等值线的分布;②压力沿上壁面对称线分布;③障碍 物附近速度场的分布. 311 压力分布 为了进一步描述管道内压力的变化,笔者给出了任意时刻,以管道上壁面中线为对称线的沿程压力分 布变化,图4中横坐标的h为管道的高度,x为管道端点至观测点的距离,以障碍物的圆心为坐标零点, 横坐标的“-”表示观测点位于左侧;纵坐标为观测点压力p与原始大气压p0的比值. 从图4可看出,管道内压力在封闭端很快上升到最大值,随后下降.而在障碍物附近的压力,当冲击 55第1期徐景德等置障条件下的矿井瓦斯爆炸传播过程数值模拟研究 图4 不同时刻压力沿管道上壁面对称线分布变化n为计算步长;t为点火后的时间, ms Fig14 The change of pressure in any time along the centre line of tube’s upwallface an 00100,t 01929 59 ; bn 03300,t 311056 ; cn 06500,t 611354 ; dn 08700,t 801811 图5 障碍物2表面冲击波压力等值线分布 Fig15 The pressure isograms distribution on the face barricade 2 an 07600,t 711792 ; bn 07660, t 781785 波到达以后,压力下降速率减小,在障碍物附近压力突 然上升.模拟结果说明了起始阶段的压力和爆炸状态对 障碍物的激励效应有影响.压力越高,爆炸越强烈,则 障碍物激励效应显著. 312 障碍物表面压力分布的变化 图5为冲击波经过圆柱体及其附近的压力变化,从 图5可知,压力波经过障碍物附近时,压力波波阵面无 明显变化,只是压力场区域有明显变化.这说明,障碍 物的激励效应使经过障碍物附近的冲击波强度得到加 强. 4 结 论 1模拟结果显示,瓦斯爆炸的传播是以爆炸波、火焰传播和爆炸气体流动的综合流动结果. 2当爆炸冲击波经过障碍物时,其附近的压力变化明显,而且压力上升显著.无论燃烧区或非燃烧 区同样存在障碍物的激励效应,但是激励程度取决于瓦斯爆炸状态和压力峰值. 3高温区的压力提高会使冲击波的强度变大.因此,除了高温区原来的热作用之外,冲击波的破坏 效应明显增强,高温区的温度对冲击波的形成和传播没有作用. 4障碍物的激励效应主要体现在障碍物的存在引起其附近速度和压力的突然改变.障碍物的激励效 果与经过其附近的爆炸冲击波的压力、速度密切相关,若冲击波压力高、传播速度大,则激励效应引起的 速度增量高. 参考文献 [1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州中国矿业大学出版社, 1992. 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