甲烷- 煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究 张莉聪1 徐景德2 副教授 吴 兵1 副教授 杨庚宇2 教授 1 中国矿业大学北京校区 2华北科技学院 学科分类与代码62013020 重点项目“973” 重点研究项目200CB4002007。 【摘 要】 为了探讨煤矿瓦斯和煤尘爆炸的物理机制,基于对甲烷和煤尘爆炸传播的理论分析,采用数值 模拟方法研究障碍物对甲烷和煤尘爆炸传播的影响;为了更系统地考虑颗粒相各种输运特性、 相间滑移和耦合,采 用双流体模型建立了数学模型,该模型的出发点是把颗粒群和气体都作为连续介质,两者相互渗透充满整个空间 形成没有间隙的 “流体” 拟流体,在欧拉坐标系下考虑气-固两相流动,气相和颗粒相的计算网格统一,易于处 理。数值方法采用LU分解和迎风TVD格式分别处理对流项的隐式和显式部分,扩散项采用中心差分;同时研究了 不同形状的障碍物对流场的影响,计算结果与实验吻合较好。 【关键词】 甲烷和煤尘;双流体模型;爆炸;数值模拟 Study on Numerical Value of Reaction between Barrier and Explosion Wave of Methane2coal Dust ZHANGLi2cong1 XU Jing2de2,Asscc. Prof. WU Bing1,Asscc. Prof. YANG Geng2Yu,Prof. 1 China University of Mine the calculated results are in well compliance with the experiment results. Key words Methane and coal dust Dual fluid model Explosion Numerical simulation 1 引 言 矿井瓦斯和煤尘爆炸是煤矿重特大恶性事故之一,爆炸 过程包含复杂的物理化学反应过程。如何有效地防治煤矿 事故的发生,对煤矿的安全生产具有重要的意义。由于单纯 的实验局限性无法确定其物理本质,因此,在实验的基础上 的数值模拟是一种有效的研究方法。 瓦斯和煤尘爆炸过程从时间上分为两个阶段点火阶段 和传播阶段。在传播阶段,处于爆炸极限内的混合物被点 燃,形成冲击波,当瓦斯和煤尘燃烧放热大于吸收的热量时, 冲击波压力逐渐增大,火焰不断加速,成为一个带有化学反 应区的冲击波,即爆炸波,化学反应区维持着冲击波向前传 播。在衰减阶段,瓦斯煤尘燃烧殆尽爆炸波演变为惰性冲击 波,由于内摩擦、 壁面吸热和与介质的摩擦使冲击波处于衰 减阶段,经过一段时间后,演变为声波。 在实际流动中,由于障碍物、 壁面等的干扰,流场的湍流 效应不能忽略,因此,瓦斯和煤尘爆炸现象研究的理论基础 是将其视为多维、 可压缩、 粘性、 带有化学反应的两相湍流流 体。通常煤粉属于稀疏悬浮流,煤尘云达到一定浓度,遇到 点火源燃烧爆炸,其氧化反应主要在气相中进行。爆炸时, 颗粒群的输运取决于气相间的相互作用而不是颗粒相间的 相互作用。 为了简化数值计算,笔者采用双流体模型描述两相流 动,固相作拟流体假设,且符合以下假设[1] 1颗粒的尺寸相同; 第1 4卷 第8期 2 0 0 4年8月 中 国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal Vol . 14No . 8 Aug . 2 0 0 4 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2不考虑颗粒的破碎、 碰并和颗粒间的相互作用; 3不计颗粒所占的体积和分压,认为颗粒为球形、 比 热恒定且内部温度均匀分布。 由于数值模拟要求能够预测点火和放热,因此采用合适 的基元反应模型来描述化学反应。 2 控制方程 气相和固相分别采用Euler的N - S方程和Euler方程描 述。对于气相的多组分系统,采用组分的连续性方程代替总 的连续性方程,化学反应燃烧用基元反应描述[1]。 在直角坐标系下的控制方程为 气相 9Qg 9t 9Eg 9x 9Fg 9y 9Gg 9z 9Eg,v 9x 9Fg,v 9y 9Gg,v 9z S Hg 1 固相 9Qp 9t 9Ep 9x 9Fp 9y 9Gp 9z Hp2 式中, S 气相反应源项; Hg和Hp 分别对应气相和固相的相间相互作用项[2]。 3 燃烧模型 笔者采用14组分 H 、O、H2、O2、OH、H2O、CH3、CO、CO2、 HCO、CH2O、N2、C2H6、CH4和19步反应模型,如下表所示采 用CHEMKIN II计算化学反应源项,基元反应遵循Arrhenius 定律和压力相关的Fall2off反应。下面给出这几种反应速率 常数kf和kb。 表气相化学反应机理 KREACTIONSAβEa 1HO2OHO8.30010130.0014413 2O H2HOH5.0001042.676290 3H2OHH H2O2.1601081.5103430 4HOHMH2O M2.2001082- 2.0000. H20.73 ,H2O 3.65 ,CH42.00 ,C2H63.00 5OH COH CO24.7601071.22870. 6H HCOH2 CO7.34010130.0000. 7OH HCOH2O CO5.00010130.0000. 8HCO H2OH CO H2O2.2441018- 1.00017000. 9H CH2OHCO H22.30010101.0503275. 10O CH2OOH HCO3.90010130.0003540. 11OH CH2OHCO H2O3.4301091.180- 447 12O CH3H CH2O8.43010130.0000. 13CH3O2O CH3O2.67510130.00028800. 14H CH3MCH4M H22.00 ,H2O 6.00 ,CH42.00 ,CO 1.50 ,CO22.00 ,C2H63.00 K∞ 1.2701016- 0.630384. K0 2.4771033- 4.7602440. 15H CH4CH3 H26.6001081.62010840. 16O CH4OH CH31.0201091.5008600. 17OH CH4CH3 H2O1.0001081.6003120. 18H CH20 MCH3O M H22.00 ,H2O 6.00 ,CH42.00 ,CO 1.50 ,CO22.00 ,C2H63.00 K∞ 5.40010110.4542600. K0 2.2001030- 4.8005560. 192CH3MC2H6M H22.00 ,H2O 6.00 ,CH42.00 ,CO 1.50 ,CO22.00 ,C2H63.00 K∞ 2.1201016- 0.970620. K0 1.7701050- 9.6706220. 311 Arrhenius定律 大多数基元反应都遵循Arrhenius定律,反应速率如下 kfj AjT β jexp -Eaj RuT 3 式中,Aj、Bj、Eaj分别为第j个基元反应的指前因子、 温度指数 和活化能。各基元反应的平衡常数Kcj只与反应物和生成物 的热力学参数有关,与具体的反应过程无关,可根据组分的 G ibbs自由焓确定。逆反应的速率常数kbj与式3类似,但通 常kbj由kfi和Kci确定,即 Kbj Kcj kfj 4 312 压力相关的Fall - off反应 根据Lindman的理论,对于有的基元反应,在高压极限所 遵循的反应机理和低压极限所遵循的反应机理不同,在高、 低压极限之间的区域称为Fall - off区,反应速率比较复杂。 以甲基的复合为例,高压极限的反应机理是2CH3ΖC2H6,低 压极限的反应机理则变为2CH3MΖC2H6 M。对高压极限 和低压极限,反应速率均满足Arrhenlius定律,但在低压极限 和高压极限之间的反应速率表达式则相当复杂。为表示区 别,Fall - off反应一般表示成如下的形式 2CH3 MΖC2H6 M5 38第八期 张莉聪等甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 对于这种反应,速率常数的表达式有Lindemann ,Troe和SRI 等形式。低压、 高压极限下的速率可表示成如下的形式 低压极限 k0A0T β 0exp -Ea0 RuT 6 高压极限 k∞A∞T β∞exp -Ea∞ RuT 7 在此基础上得到Fall - off区的速率常数 k k∞ Pr 1 Pr F8 此处, Pr是折合压强reduced pressure ,表达式为 Pr k0nM k∞ 9 式中,nM 第三体的摩尔浓度,包括可能存在的第三体增 强系数。 式8中的F为一个函数,Lindemann、Troe和SRI形式的 差别就在于F的不同形式。对Lindemann形式, F 1,其他 两种形式, F的表达式比较复杂,此处不再给出。 4 数值方法和计算的流程图 1网格生成 采用代数方法生成计算网格,网格向壁面采用指数吸引 以模拟壁面边界层,同时在障碍物附近也采用指数加密。为 改善X , Z平面网格的正交性,用Laplace方程对生成后的网 格进行修正。 2离散方法 对气相方程采用隐式方法处理化学反应源项,以避免 刚性问题。采用LU分解和迎风TVD格式分别处理对流项的 隐式和显式部分。扩散项采用中心差分。固相方程为退化 的双曲方程,用二阶NND格式。 3计算的流程图,如图1所示。 图1 程序流程 5 计算结果 511 定解条件 1初始条件初始温度T 300 K ,初始的压力 p 1.30 MPa ,M 1.2。 2边界条件入口指定激波参数,出口采用外推条件。 沿壁面,气、 固相均取无滑移速度条件,温度取绝热条件,气 相压力法向梯度取为零。 512 考核算例 计算网格见图 2 沿X、Y、Z方向取1216161 ,图3、 图4是典型的模拟和实验结果。从中可以清楚的看到爆炸波 遇障碍物发生反射,绕射和产生湍流漩涡的情况。进一步证 明了障碍物对爆炸波的加速作用,与理论分析一致,说明算例 的可靠性。 ax-y平面 ax-z平面 图2 计算网格 ax-y平面, k1 bx-y平面, k30 图3 压力场等值线分布 ax-y平面, k1 bx-y平面, k30 图4 温度场等值线分布 6 结 论 1建立了甲烷和煤尘爆炸的数学模型,并给出了相应 的气相化学反应机理。 2根据基元反应初步计算了气相流场在有方形障碍物 的情况下流场参数的变化规律。由此表明 由于多组分的扩散和声速的差异,激波在绕障碍物流动 48 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第14卷 2004年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 要比纯空气的波系复杂的多存在着激波、 卷吸波和接触面之 间的相互作用; 计算结果表明障碍物有效地促进了流场各种成分的相 互混合,障碍物对混合物的燃烧有重要的影响,不能忽略; 通过与文献[3]的结果对比表明,方形比圆形障碍物对 流场的增强效果更明显; 障碍物的前面出现压缩波,使得流场的压力和温度逐渐 增大,同时速度和强度降低。 3在煤矿瓦斯和煤尘爆炸事故的防治和勘察工作中, 除了考虑瓦斯和煤尘本身的因素外,还要考虑障碍物及其 形状。 收稿2004年5月;作者地址北京市海淀区学院路丁11号;中国矿业大学北京校区资源与安全工程学院;邮编100083 参 考 文 献 1 范宝春.两相系统的燃烧、 爆炸和爆轰[M].北京国防工业出版社,1998 2 岳朋涛.超燃冲压发动机燃烧室若干问题的研究[D].合肥中国科学技术大学,2002 3 徐景德.矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素德研究[D].北京中国矿业大学,2003 4 吴兵.矿井半封闭空间瓦斯爆燃过程热动力学过程[D].北京中国矿业大学, 2003 5 T L. Jiang , WJ. Hsu. Comparison of droplet combastion models in spray combastion[J ]. AIAA Journal of Propulsion and Power , 1991 ,9644～646 中央企业安全生产工作会议召开 中央企业安全生产工作会议于2004年8月5日至6日在江苏扬州召开。国务委员兼国务院秘书长华建敏 出席会议并讲话。 华建敏指出,搞好中央企业的安全生产工作,对保障国民经济平稳较快发展,促进全国安全生产形势的稳定 好转具有重要作用。要充分认识中央企业安全生产工作的重要性,全面实践 “三个代表” 重要思想,牢固树立 “安 全生产责任重于泰山” 的思想和 “以人为本” 的理念,扎实做好安全生产工作。 华建敏强调,中央企业要把思想统一到党中央、 国务院对安全生产的一系列决策部署上来,正确处理安全生 产与经济效益、 与企业改革和发展的关系,做好安全生产各项工作。要把安全生产落实到企业发展规划、 经营考 核、 制定和完善应急预案、 推进企业结构调整、 加快企业技术进步、 加强和改善企业管理以及对企业员工的教育 和培训之中,坚持做到思想到位、 组织到位、 技术保障到位和资金保障到位,积极发展有安全保障的生产能力,提 高安全生产的整体水平。 华建敏要求,各地区、 各有关部门要明确职责,加强领导,密切配合,认真履行监管职责,努力提高安全生产 监管水平。 此次会议由国家安全生产监督管理局国家煤矿安全监察局、 国务院国有资产监督管理委员会组织召开。 国务院有关部门相关负责人,各中央企业主管安全生产的负责人及部分中央企业安全生产管理部门负责 人,各省、 自治区、 直辖市、 计划单列市及新疆生产建设兵团安全监管部门负责人,有关省级煤矿安全监察机构负 责人等参加这次会议。 8月5日的全体大会由国务院安委会办公室副主任、 国家安全生产监督管理局国家煤矿安全监察局副局 长王德学主持。江苏省及扬州市领导致辞,国务院安委会副主任、 国家安全生产监督管理局国家煤矿安全监察 局局长王显政作了题为 强化主体 有效监管 开创中央企业安全生产工作新局面 的重要讲话,国务院安委 会有关领导分别讲话。 中央企业安全生产工作的总体思路是以 “三个代表” 重要思想为指导,用科学发展观统领全局,认真贯彻 安全生产法,按照国务院 决定 和国办 通知 要求,着眼于国际先进水平,着力于基层和基础 “双基” 工作,进 一步加强领导,改进监管;落实责任,强化主体;依靠科技进步,实现本质安全,建立预防为主、 持续改进的企业安 全生产长效机制,全面提升中央企业安全生产和职业安全健康水平。 58第八期 张莉聪等甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 安全科学技术人才交流园地 本 期 论 文 作 者 简 介 熊仁钦 教授,湖南科技大学采矿 与安全工程研究所所长,中国煤矿 开采专业委员会委员,中国岩石力 学与工程学会软岩专业委员会委 员,中国煤炭工业劳保学会顶板防 治专业委员会常务委员,湘潭市煤 炭学 会 理 事 长。1945年5月 生, 1968年毕业于原北京矿业学院采矿工程专业,1968～ 1978年在四川攀枝花矿务局太平矿工作。1981年毕业 于中国矿业大学北京研究生部,获工学硕士学位。曾 任湘潭工学院资源工程系主任。主要从事复杂煤层开 采、 采场矿压观测与控制、 巷道支护原理与控制等方 面的教学和科研工作。先后主持和承担了省部级项 目4项,横向合作项目6项,其中3项获广西煤炭科技 进步奖二等奖。取得科研成果5项。获省教学成果 三等奖一项。出版书两本。在 煤炭学报 、岩石力 学与工程学报 等刊物上发表论文30余篇。 毛成涛 助理工程师。本科学 历,1977年12月生,2000年7月毕 业于浙江大学,2001年7月毕业于 国家出入境检验检疫局浙江大学 商检教育中心辅修班,2001年8月 以来,在青岛出入境检验检疫局工 业产品安全检测中心工作,主要从 事机械安全和金属材料的测试和研究。已主持完成 山东检验检疫局课题一项,主持开展国家质检总局 课题一项,已发表论文两篇。 吴 凤 广东省公安厅消防局助 理工程师。广东湛江人,1979年 生,2002年毕业于中国人民武装警 察部队学院,历年均获校奖学金和 专项奖。现为西安科技大学安全 技术及工程专业硕士研究生,主要 从事建筑火灾中人的行为及建筑 物防火安全性能分析方面的研究工作。 许洪国 博士,吉林大学交通学 院教授,博士生导师。辽宁大连 人,1955年9月生,1995年被遴选 为机械部跨世纪学科带头人,现任 吉林省汽车工程学会理事,吉林省 公路学会第八届理事、 交通工程专 业委员会副主任委员,交通高教研 究会理事,中国筑机学会第五届理事。主要从事汽 车与交通安全研究,擅长交通安全理论和交通事故 再现的现场技术分析,公开发表学术论文80余篇。 郭 盛 博士研究生。内蒙古呼 和浩特市人,1972年生。1996年毕 业于燕山大学机械工程系机制专 业,获学士学位。2002年获内蒙古 工业大学硕士学位。现在北京交 通大学机电学院攻读博士学位,研 究方向为CAD ,并联机器人学。参 加国家自然科学基金项目两项,省部级科研课题两 项。在与内蒙古一机厂合作的福田汽车底盘反求设 计项目中,提出了利用标准数据拟合曲线的数学方 法,为项目完成起到重要作用。在三维图形学、 模具 反求工程、 参数化建模理论、 机器人运动学、 并联机 器人机构综合、 机器人安全生产理论等方面发表论 文10余篇,参加国际会议4次。 张莉聪 硕士研究生,河北石家 庄人,1978年6月生,2002年7月毕 业于河北建筑科技学院现河北工 程学院机械电子工程专业,获工 学学士学位。同年9月考入中国矿 业大学北京校区安全技术及工 程专业,攻读硕士学位,主要从事 爆炸灾害防治研究。作为国家重点基础研究 “973” 项目 “重大工程基础安全性研究” 子课题 煤矿瓦 斯和煤尘爆炸传播机理及应用研究的主要参研人 员,重点研究煤矿瓦斯和煤尘爆炸传播的数值研究。