（应用化学专业论文）管道中甲烷空气预混气爆炸火焰传播的研究.pdf

摘要 针对矿井瓦斯及其它工业可燃气体爆炸灾害的现状，本文开展了管道内甲烷一 空气预混气爆炸火焰传播的研究，采用实验分析和理论研究相结合的方法，较为 系统的描绘了管内火焰传播的现象。 本文在长1 5 m 的方形透明实验管道上，采用光电传感器、压力传感器阻及 高速摄像等器件，建立了管内爆炸火焰传播的光信号和压力信号测试系统。实验 结果表明： ( 1 ) 点火端封闭另一端弱封闭的小尺寸管道中，甲烷空气预混气体在有无 障碍片时火焰传播压力分布规律基本一致：先逐渐增大至约管子中段处出现峰值 压力，而后压力逐渐下降，管口处压力下降迅速。 ( 2 ) 障碍片存在对火焰传播有激励作用，能显著增加火焰速度，d 型障碍片 下可将火焰传播速度提高一个数量级以上，最大速度可达2 5 0 m s ；爆炸峰值压 力也显著增加，d 型障碍片下可达o 5 m p a 。在激励作用的因素中，障碍片的阻塞 比占主要，而障碍片的间距居次。 ( 3 ) 当甲烷浓度在最佳浓度( 约l o ) 附近时，火焰速度和爆炸压力最大。 ( 4 ) 在实验条件下，各测点的光信号到达时刻与压力信号起跳时刻基本同步， 且光强时刻表现为压力值大，即燃烧剧烈时火焰传播产生的压力大，而压力的持 续时间较火焰光信号持续时间长。 ( 5 ) 本文管道的长径比为1 5 ，长为1 5 m ，此小尺寸管道中甲烷空气混合气 体，在有无障碍片下均不会导致爆轰现象。 本文通过简化处理得出了管内火焰的速度和压力的计算式，并作了相关处理 实现，与实验结果吻合较好，方便了管内爆炸火焰参数的估算。同时借助于 p h o e n i c s 软件，对简单情形的爆炸火焰传播过程进行了数值计算，计算结果基 本上反映了流场参数的变化趋势。 本文的研究工作对预防和控制矿井瓦斯和其它可燃气体爆炸灾害，有一定的 借鉴作用，同时也加深对爆炸理论中燃烧和爆炸问题的理解，以及燃烧理论中传 播火焰的认识。 图4 5表2参6 0 关键词：爆炸火焰；管道；甲烷空气预混气：高速摄影；数值计算 分类号： x 9 3 2 a b s t r a c t a i m i n ga t t t l es i t u a t i o no fe x p l o s i v ed i s a s t e ro fm e t h 锄ea 1 1 do t h e ri n d u s t r i a l f l a m m a b l eg a s e s ，s o m er e s e a r c ho np r e m i x e dm e t h a n e a i rn a m ep m p a g a t i n gi nt u b e w a s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya i l dt h e o r e t i c a l l yt h ep h e n o m e n ao fn a l t i e p m p a g a t i o nw e r ed e s c r i b e ds y s t e m a t i c a l ly b a s 甜o ns q u a r e 订a 1 1 s p a r e n te x p c r i m e n t a lt u b ew i t h1 5 ml o n g ，p h o t o e l e c t r i c a l t r a n s d u c e r ，p r e s s u r et r a n s d u c e ra i l dh i 曲- s p e e dv i d e oc a n l e r aw a su s e dt os c tu po p t i c a l a n dp r e s s u r es i g m l t e s t i n gs y s t e m 1 1 1 er e s u l t ss h o wb e l o w ： ( 1 ) i ns m a l l s c a i et u b e ，t h ei 盟i t i o ne n di sa i n i g h ta n dt h eo t h e re n di sc l o s e db y p a p e lp r e s s u r ed i s 舡。i b u t i o nr e g u l a r i t yo fp r e m i x e dm e 协a i l e a i rg a s e si nt h ep r o c e s so f n a m ep r o p a g a t i o nw i t ho rw i 也o u to b s t a c l ep l a t ei sb a s i c a l l yi d e n t i c a l a tf i r s t ，t h e p r e s s u r ei n c r e a s e sg r a d u a l l ya l o n gm et u b eu n t i lp e a kp r e s s u r ee m e 曜e n c ei hm e m i d d l eo f t i l b ea n dm e nb e g i n st of a l l fp r e s s l l r ef a l l sr 印i d l ya tt h eo p e ne n d ( 2 ) o b s t a c l ep l a t e ss t i m u l a t en a m ep r o p a g a t i o n ，w h i c hc a ni n c r e a s en 锄es p e e d r e m a r k a b i y t h es p e e do fn a m ep m p a g a t i o n 、i mo b s c a c l ep l a t e so fds h a p ei sm o r e 也a no n es c a l a rg r a d ea n dt h em a ) 【i m ms p e e di s2 5 0 m s t h ep e a l ( e x p l o s i o np r e s s u r e a l s oi n c 删玲e sr e l n a 如a b l y ，w h i c hc a na r r i v ea to 5 m p a t h ei n f l u e n c eo f b l o c k a g er a t i o o fo b s t a c i ep l a t eo n 也es p e e do fn a m ep r o p a g a t i o ni s d o m i n a t i n g ，w b i l et h a to ft h e s p a c eo f r e p e a t e do b s t a c l ep l a t e so nm en a m es p e e di ss u b o r d i n a t e l y ( 3 ) w h e nm e t 量1 a n ec o n c e n t r a t i o ni sa t 曲o u to p t i m a lc o n c e n t r a t i o n ( a b o u t1 0 ( v ) ) ， n 锄ev e l o c i t ya n de x p l o s i o np r e s s u r er e a c hm a x i m u m ( 4 ) u n d e rt e s t i n gc o n d i t i o n ，t l ea r r i v a lt i m e o fe a c ho p t i c a l s i g n a l i ne a c h m e a s u r e m e n ts p o t sc o r r e s p o n d st o 仃i g g e ro fp r e s s u r es i g n a l t h em o m e n to fs t r o n g l 蟾h ts h o w st h a tp r e s s u r ei sl a 唱e ，o rw ec a i ls a yt h a tn a m ep r o p a g “o ng e n e r a t e sl a 唱e p r e s s u r e t h ed u f a t i o no f p r e s s u r ei sl o n g e rt h a nn a m es i g n a l ( 5 ) i nt h ee x p e r i m e m ，t h et u b ei s1 5 ml o n g ，t h er a t i oo f t h et u b el e n 班ht ot h es i z e o ft h et u b es i d ei s15 i ns os m a i l - s c a l et u b e ，m e t h a n e a i rp r e m i x e dg a sc a n n o t l e a dt o t h ep h e r l o m e n ao fd e t o n a t i o ni nt h ec a s eo fo b s t a c l ep l a t e so rn o t t h ep 印e rg e t st h ef o r n l u l at h a td e a l 谢t hn a m es p e e da n dp r e s s u r ci nt u b e n l r o u 曲s i m p l et h e o r e t i c a l 鲫a l y s i s t h er e s u l t i n gf b m l u l ai sa c c o r d i n gw i t ht h et e s t j n g r e s u l t s ，w h i c hp r o v i d e sa 印p r o x i m a t em e m o df o rc a l c u l a t i n gp a r 啪e t e ro fe x p l o s i o n n 锄ei nt u b e a tm es a m et i m e ，n a m ep r o p a g a t i o n 芦o c e s su n d e rs i m p l ec o n d m o n i s s i m u l a t e dn u m e r i c a l l y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l tb a s i c a l l yr e n e c t sc h a n g eo f p a r a m e t e rf l e i d t h er e s e a r c hh a ss o m ee b c to np r e v e n t i n ga n dc o n t r o u i n ge x p l o s i o nd i s a s t e ro f m e t h a n ei nm i n e趾do t h e rn a m m a b l eg a s e s nd e e p e n so u ru n d e r s t a n d i n gt o c o m b u s t i o na n de x p l o s i o np r o b l e mi ne x p i o s i o nt h e o f y ，a n di ta l s od e e p e n so u r l l l l d e r s t a n d i n gt on 锄ep r o p a g a t i o ni nc o m b u s t i o nt h e o r y f i g 眦e4 5 诅b l e 2 f e f e r e n c e 6 0 k e y w o r d s ：e x p 】o s i o nn 姗e ；t u b e ；p r e m i x e dm e 出a n e a i rg a s e s ；h 逸h - s p e e dv i d e o c 锄e r a ：n u i i l e r i c a lc a l c u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 9 3 2 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞擞理三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：狸葫乙签字日期：山以年z 月店日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞徵理王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王太堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：穆泉 签字日期：加以年多月廖日 导师鲐元扣 签字日期：伽6 铂月阳日 安徽理工大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1引言 煤炭是我国的主要能源，地下采煤经常会受到瓦斯等自然灾害的威胁，对矿 工生命和公共财产构成了极大的威胁。在国家安全生产监督总局公布的事故数据 显示，仅2 0 0 5 年国内发生的一次性死亡5 0 人以上的事故共7 起i l 】，瓦斯爆炸事 故4 起，煤矿爆炸和透水事故各1 起，交通事故l 起。可见，煤矿瓦斯爆炸事故 频繁发生，究其原因，除管理方面和预防技术措施方面存在问题外，也暴露出抑 爆、阻爆技术的不适当。例如，一般在大型国有煤矿，巷道中均按安全规程布置 了隔爆水棚，但瓦斯爆炸时这些隔爆技术措施并未起到应有的作用，这些说明人 们对爆炸火焰的传播规律和机理、障碍物对爆炸火焰的影响程度、火焰与压力波 的关系等，存在着认识上的不足。瓦斯爆炸事故给人们带来了无比的痛苦和伤心， 也造成了巨大的财产损失，它是煤矿安全生产亟待解决的重大问题。因此，有必 要对瓦斯爆炸现象进行研究。 瓦斯的主要成分是c 1 4 ，其所占体积比高达9 0 以上，因此瓦斯通常指甲烷， 这也是本文选用甲烷一空气混合物作为实验工质的一个依据。可以这么说，瓦斯爆 炸其实质是甲烷与空气的混合气体，在一定的条件下遇高温热源发生的剧烈的链 锁反应，并伴有高温高压的现象。研究瓦斯爆炸现象，大多借助于模拟巷道或实 验管道进行，对于对大尺寸的模拟巷道，目前普遍采用的方法是测试关键点参数， 再结合数值模拟的方法进行研究。对小尺寸的实验管道，则可布置若干个测点， 利用数字化电测和光测仪器，通过数字处理技术、激光技术、高速摄影、纹影技 术等，观测爆炸火焰在管道中的运动情况，分析爆炸火焰传播的特性，关心测点 的流场参数变化，找出这些参数之间的内在联系。这种小尺寸的实验管道，与实 际的矿井巷道相比尺度和环境相差较大，但火焰加速传播机制、波的传播特性是 一致的，通过实验或模拟找出爆炸参数之间的相互联系是十分有意义的。 甲烷属于可燃性气体，工业生产中，经常会遇到这种输运可燃气体的管道， 如长度长、分支多的我国西气东输工程管道，城市中煤气输运管道，工厂中各种 可燃性气体的输送管道，等等。在这些工业管道中输运可燃气体时，若混入空气 形成可燃气体混合物或管道泄漏形成可燃蒸气和空气的混合物，条件成熟时，会 造成可燃气体的燃烧、爆炸事故。例如，0 6 年1 月四川仁寿县的一家输气站发生 管道爆裂燃烧，造成1 0 入死亡，5 0 人受伤”j 。针对这种状况，人们开展了有关 管内可燃气体爆炸的抑爆和阻爆实验，着力于爆炸波的传播规律与抑制作用的研 安徽理工人学硕士学位论文 绪论 究。如大连理工大学喻健良 2 】就对多层丝网结构的抑爆作用进行了研究。因此， 研究甲烷空气混合气体在受限管内的爆炸性质与其它工业管道可燃气体具有相 通之处，这也是本文研究的一个出发点。 可燃气体燃烧爆炸过程，无外乎火焰和压力波两方面的作用，表现为灼烧( 温 度) 和机械破坏( 压力) 。在火焰传播过程中，两者是相互影响的，它们之间存在 着一定的空间位置关系，对于大尺寸模拟管道，有研究认为在火焰前方存在压力 波，火焰传播追赶压力波，最后叠加形成强冲击作用，但对于小尺寸的实验管道， 火焰与压力波的位置关系是否依然如此呢，通过实验发现，两者位置没有明显的 差别或者说差别很小。同时燃烧学中认为火焰有静止火焰和传播火焰之分，有扩 散火焰和预混火焰之分，对管内混合气体爆炸火焰来说，既是预混火焰也是传播 火焰。静止火焰研究比较成熟，而传播火焰则不然，它必须借助于特殊的测试手 段和分析方法，因此相关的理论还不够成熟，此方面研究需要进一步加强。一般 认为，管内混合可燃气体在点火初期为层流火焰。假定管子很长并设有重复障碍 片的情形，湍流机理【3 】认为有初期层流火焰、火焰局部湍流化、湍流度增大、湍 流与火焰相互激励、火焰急剧加速，进而发展为爆燃或爆轰过程。这是较为普遍 接受的机理。当然要很精确的确定火焰传播过程中流场参数的变化情况，就必须 对管内火焰传播机理有一个很深的把握，目前确定管内火焰传播参数还停留在实 验和经验之上，需要一个更加合理、更完善的理论来解释这样的一个复杂的实际 问题。因此，进一步研究管内火焰传播机理以及火焰与压力波的空间位置关系意 义重大。 所以，对瓦斯和其它可燃气体爆炸灾害预防和控制，以及对管内火焰传播机 理及传播规律的研究，使得本课题既具有实际意义也具有理论意义。本课题是在 陆守香教授【4 ，5 】等人研究成果基础上所进行的工作。他们主要从点火状况、设障碍 物情况对瓦斯爆炸火焰及瓦斯煤尘复合火焰传播进行了研究，并对水雾抑制瓦斯 爆炸的机理进行了研究。但对火焰与压力波的关系、爆炸火焰传播的机制以及爆 炸参数的计算等涉及不多。本文正是基于以上考虑，采用安徽理工大学自行研制 的全透明方形实验管道，对甲烷空气预混气爆炸火焰进行了较为深入的研究，并 对其相关物理参数作了计算和分析，同时采用p h o e n i c n s 软件作了简单模拟， 模拟结果对爆炸火焰后续研究工作有一定的帮助。 1 2 受限区域气体爆炸火焰的研究现状 1 2 1 国外现状 2 安徽理工大学硕_ ：学位论文 绪论 由于矿井瓦斯爆炸事故不断发生，人们必然要对瓦斯爆炸现象进行研究，一 些发达国家如美国，在很早就对煤矿瓦斯爆炸火焰传播作了一些研究，1 9 1 0 年美 国矿务局建立了专门的实验矿井，开始对矿井瓦斯爆炸事故进行了实验研究， 鼬c h m o n d 也建立了实验的模拟煤矿巷道，对瓦斯爆炸过程中火焰传播速度和压力 变化情况作了分析。这些建立的巷道尺寸与真实矿井接近，但实验耗资大，得到 的数据少、且适用性差。针对这一缺陷，人们就开始在实验室里更加详细的研究 瓦斯及其它可燃气体的爆炸现象，着力于火焰加速机理和传播规律等方面的研究。 b a r k n e c h t 6 l 测量了直径1 4 m 、长4 0 m 的含有甲烷空气混合物的管内火焰速 度。实验结果表明，密闭端点火、另一端丌口的情况，最高火焰速度可达2 5 0 m s ； 如开口端密闭，开始阶段火焰加速较快，最大速度不超过1 0 0 m s ，约在1 5 2 0 m 后，火焰开始减速，管内压力增加，但没发生爆轰现象；若在开口端点火，火焰 在管内慢速传播。 m o e n 等人用甲烷一空气混合物进行的实验表明，通过设置重复性的障碍物， 只要选择合适的障碍物高度和间隔距离，化学计量浓度的甲烷空气混合物的湍流 火焰速度很容易达到1 0 3 m s 。若没有障碍物，火焰速度只有6 m s 1 左右，相应 的湍流燃烧速度为o 8 m - s ，而层流燃烧速度为o 4 3 m s 。如果障碍物布置合理， 只要行进3 1 c m 的距离，火焰速度就能加速到1 3 0 m s _ 1 【7 】。m o e n 嘲等人还发现，火 焰在螺旋形通道中的传播速度比没有放置障碍物时将近增加了2 4 倍，并且火焰在 经过所有障碍物后速度下降。 f a i n v e a t h e r 卜1 0 】等对圆管内壁上设有障碍环的气体爆炸流场进行研究，所进 行的火焰成像显示，在主要的火焰阵面离开容器导致高的超压之后，障碍环后残 留的未反应的混合气体将发生剧烈反应，进一步增进了火焰的加速作用。 p h y l a k t o u 【l l 】等对容器管道系统气体爆炸进行了实验研究，结果发现，点火位 置对气体爆炸强度有较大的影响，容器底部点火比容器中心点火时爆炸剧烈；气 体浓度对爆炸强度有较大的影响，当浓度在化学计量浓度附近时，爆炸压力上升 速率最高；当气体在起爆容器中心点火后，火焰到达另外一个容器底端的时间和 到达该容器末端的时间相当或更少，说明火焰向另一个容器传播过程中得到了加 速。 i b r a i l i m 【1 2 】等介绍了一套新型实验装置，分别研究了障碍物的几何尺寸、阻塞 比和泄放压力对管内管内预混火焰爆燃超压的影响。实验中采用了圆柱形、正方 形、菱形、三角形以及平板形五种形状的障碍物，阻塞比从1 0 到7 5 不等。结 果表明，爆燃超压随着泄放压力的增加而增加；最大超压通常随着障碍物的阻塞 3 安徽理i 人学硕士学位论文 绪论 比的增加而增加，但增加的速度取决于障碍物的几何尺寸：几种形状障碍物中， 平板形获得的超压最大，而圆柱形产生的超压最小；随着障碍物的阻塞比增加和 几何尺寸的改变，火焰受湍流度和尺寸影响而加速传播，以致达到最大超压的时 问缩短。 k u z n e t s o v 【1 4 1 在长1 0 5 m 的光滑管内对化学计量浓度的氢氧混合物的d d t 过程进行了实验研究，研究表明混合物初始压力从0 2 b a r 到8 b a r 变化，d d t 转 化距离与此压力有关；认为流动超前于火焰导致湍流边界层的形成，此边界层影 响着流动中湍流运动的尺度。并对通常状况下内径为1 7 4 m m 和5 2 0 m m 爆轰管内 甲烷空气混合物d d t 现象进行了研究。 c i c c a r e l l i 【l5 】等采用设有孔板障碍物，长3 1 m 、直径1 4 o c m 的爆轰管内，对 丙烷空气混合物火焰初期加速情况进行了实验研究，结果表明，火焰初期加速距 离随障碍物阻塞比和反应程度的增加而减小：对阻塞比较高情形，障碍物间距若 为管径时，火焰加速最快，但对于较小阻塞比情形，障碍物间距为o 5 ，1 o ，1 5 倍管径时，对火焰加速影响相当。 概括起来，实际矿井瓦斯和其它工业可燃气体爆炸灾害是人们研究受限条件 下可燃气体爆炸现象的出发点，从早期的全尺寸巷道或管道研究到后来的小尺寸 管道情形，人们更关心的可能是可燃气体波的传播机理和障碍物或管道状况对流 动和燃烧的影响作用。 计算机实验和数值模拟的概念提出要追溯到上个世纪6 0 年代，当时计算视技 术比较落后，随着计算机、流体力学和数值方法的不断发展和有效结合，国外首 先开始对受限区域气体爆炸进行数值模拟，为一些实验节省了昂贵的成本。 u l r i c h i 】6 j 采用火焰轨迹方法对密闭管道内可燃气体混合物爆炸过程进行了数 值模拟，该方法可以预测管道内最大爆炸压力和压力上升速率及火焰到达管内某 处的时间。 f a i n v e a t h e r 9 】对爆炸管内预混火焰传播进行了数值模拟，认为管道内爆炸超压 主要是由于障碍物产生的湍流燃烧引起的。 d u l l l l 一棚k i n 【 j 在长1 1 7 2 m 的长方形管道内，对障碍物加速湍流爆炸火焰传播 的超压进行了实验研究，并建立了障碍物加速火焰传播的二维数学模型，揭示出 了不同开口管道内火焰超压增长变化过程。 m i c h e l e 【”】采用a u t o r e a g a s 软件对管道系统内气体爆炸进行了数值模拟，结果 发现，容器管道系统内气体爆炸产生的峰值压力和压力上升速率比单个管道高很 多，并且指出管道直径对气体爆炸强度影响较大。 d 安徽理t 大学硕士学位论文 绪论 s a l z a n o 1 9 1 等后来也采用此软件对管道内设有障碍物的可燃气体混合物爆燃过 程进行了数值模拟，指出气体不会发生准爆轰或c j 爆轰现象，软件模拟结果与大 量实验结果相符的很好。 1 2 2 国内现状 国内对受限区域气体爆炸火焰也作了不少研究，如中国科投大学f 2 0 ，2 ”、中科 院力学所【2 2 1 、大连理工大学 2 3 】、中国矿业大学2 4 1 、安徽理工大学【2 5 】等单位就开展 了相关的实验工作。中国矿业大学着力于瓦斯爆炸火焰传播的研究，建立了专用 的瓦斯爆炸实验腔体。 林柏泉睇4 ，2 6 1 等采用专用的瓦斯爆炸实验腔体( 8 0 m m 8 0 n u n ，长2 4 m ) 比较系 统的研究了管内瓦斯爆炸过程中火焰传播状况，认为障碍物存情况，火焰的传播 速度约在2 0 倍长径比处达到最大值，随后逐渐衰减熄灭，原因是障碍物的存在加 剧了火焰传播过程中的湍流现象，而湍流又加速了火焰传播，同时障碍物的存在 有可能产生激波；讨论了瓦斯爆炸过程火焰厚度变化特性，有障碍物时火焰厚度 常常小于无障碍物情形，设置的膜片( 并设4 个障碍物) 距爆炸源较近时火焰厚度明 显增大；火焰阵面前附近区域与管封闭端附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面 后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快 上升到最大值，然后温度开始下降。 王从银、何学秋【2 7 1 认为管内瓦斯爆炸火焰传播具有高内聚力特性，火焰传播 过程中沿管道横断面分布不均匀，主要反应区发光体是沿管子底部向前传播的； 又分析了瓦斯爆炸阻隔爆失效的原因，将爆炸压力曲线分为前驱压力波区、负压 区和爆炸产物膨胀产生的正压区。 徐景德【2 8 1 等利用长5 1 8 m 的模拟巷道研究了瓦斯浓度、火源位置对瓦斯爆炸火 焰传播的影响。通过对比两条不同尺寸的实验巷道，发现瓦斯爆炸火焰传播存在 明显的尺寸效应，即两个尺度不同的同形状巷道内爆炸传播参数不是简单的遵循 流体力学相似规律。 对其它可燃气体爆炸火焰的研究，事实上和瓦斯具有相似性，周凯元【2 0 】等对 丙烷空气爆燃波的火焰面在直管中加速运动规律及其影响作了实验研究。结果表 明，在光滑内壁的管道内，闭端点火比开端点火可以获得更大的爆燃火焰速度； 对于同样的气体及点火距离，较小管径的管内火焰速度较小：点火能量对火焰加 速度有一定程度的影响，靠近点火端处影响较大，而点火距离大于2 0 m 时影响较小； 管内有障碍物时，能明显增大爆燃火焰的加速度，它对火焰速度加速度的影响主 安徽理工人学硕十学位论文 绪论 要取决于加速环的个数，而环间距居次。同时周凯元 2 9 1 对气体爆燃火焰在狭缝中 的淬熄现象作了研究，得到了传播火焰与淬熄直径、淬熄长度之间的关系。 余立新2 2 1 研究了障碍物结构对管内预混火焰加速和压力发展的影响，认为在 阻塞比相同的条件下，最终的火焰稳态速度与障碍物的形状和问距基本无关，其 中障碍物间距仅仅影响火焰的加速速度：当阻塞比为o 5 ，障碍物间距约等于管道 内径时，管内峰值压力达到最大值。 韩启祥1 3 0 等对预混气爆震管内爆燃转爆震转捩距离的变化规律进行了研究， 实验测得了不同工况下爆震管内火焰速度，并由此确定了d d t 距离及其变化规律， 认为预混气初始压力下降或稀释剂浓度增加时，d d t 距离增加，而安装扰流器后 d d t 距离明显缩短。 也有选用煤气。空气混合物作为实验工质的，如卢捷【3 l 】对煤气空气的预混气在 密闭管内的火焰加速现象做了研究，实验表明，障碍物存在时爆炸压力可提高2 0 ；火焰传播特性随浓度的变化而变化；同时指出障碍物阻塞比对火焰传播有一 定的影响。 总之，虽选用的可燃气体活性不同，表现出爆炸火焰传播的特性有所差异， 但火焰传播机理和传播规律一致，而且研究的是或封闭、或一端开口的单个管道， 也有研究管道系统的，研究内容多为障碍物形态和气体浓度对爆炸火焰速度和压 力的影响。 由于计算机技术相对国外滞后，对可燃气体爆炸的模拟工作也是从上个世纪 9 0 年代才开始，目前计算流体力学发展迅速，在很多方面包括气体爆炸过程很多 学者都做了相关的模拟工作，有借助于软件模拟的，也有通过计算机编程来实现 的。 范宝春 3 2 】等基于k 。e 湍流燃烧的e b u 模型，对充满甲烷一氧气混合物的管内一 端点火后，在管壁和管内多块挡板作用下发生的爆炸现象进行了三维数值模拟。 认为在管壁和多重挡板作用下，燃烧导致的流动有可能形成湍流，从而加速火焰 的传播，在适当条件下，此类加速会导致爆炸。 陈志华【3 卅等通过均相流体模型、湍流k 6 模型和e b u a h h e n i u s 燃烧模型，选用 s i m p l e 格式对管中戊烷和空气的燃烧实例进行了数值求解。其结果反映了燃烧导致 的爆炸过程中管内流场各参数的变化规律，揭示了管内燃烧、流动、湍流之阳j 的 正反馈耦台关系，并与实验结果和相关数值结果基本相符。 朱建华【3 4 j 对长4 9 m 、直径o 3 5 m 的水平爆炸管内甲烷一空气混合物爆炸过程进行 了数值模拟，管道为光滑和有障碍物情形，采用的软件是a u t o r e a g a s ，模拟结果 安徽理工大学硕士学位论文 绪论 与实验吻合较好。 毕明树等从流体力学和化学反应动力学守恒方程出发，利用一步不可逆化 学反应来模拟能量的加入过程，通过高精度的差分格式和时间分裂方法，对弱点 火条件下密闭容器内可燃气体爆燃的压力场、温度场和浓度场进行了数值模拟。 结果认为，最大爆炸压力和压力上升速率均与初始压力呈正比的关系，并且出现 在化学计量浓度的1 1 倍处。 p h o e n i c s 软件是英国c h a m 公司开发的，用于模拟传热、流动、反应、燃烧 过程的通用c f d 软件，林柏泉【3 6 采用浚软件对瓦斯爆炸过程中温度场进行了数 值模拟，将其运用于管内爆炸火焰的计算方面，目前国内很少有人作过这样的工 作。 1 3 本课题研究意义 矿井下瓦斯爆炸灾害一直是困扰煤矿开采的一大顽疾，长期来人们在瓦斯爆 炸和气体粉尘爆炸方面作了不少研究，对减小、预防和控制瓦斯爆炸灾害起到了 一定的作用。但瓦斯爆炸事故时常发生。究其原因，首先，随着开采深度加大， 地质条件复杂，若发生瓦斯局部积聚和瓦斯突出，加之通风不好就极容易发生瓦 斯爆炸事故。其次，人们的安全意识淡薄，煤矿安全管理存在严重的漏洞。再一 个就是对瓦斯爆炸传播的理论认识需进一步加强。当前关于瓦斯爆炸防治的某些 重大问题仍没有从根本上得到解决。如，不少矿井安设了瓦斯爆炸自动报警探头 和自动监测装置，但仍有瓦斯爆炸事故的发生。一些矿井也安设了阻隔爆装鼍， 但发生瓦斯爆炸时，其作用得不到体现，甚至有时这些装置的安设反而加强了爆 炸强度。出现这些问题的原因就是对瓦斯爆炸传播的机理、火焰传播的特性、瓦 斯爆炸动力学特性等方面认识还不够充分，以致于在防治瓦斯爆炸措施上具有一 定的盲目性。因此，有必要进一步研究甲烷爆炸的传播特性、火焰加速传播的机 理，加之对其进行数值模拟意义重大。 甲烷是碳氢燃料中最简单的一种，从安全学角度来看，石油、天然气等行业 中，或多或少涉及到碳氢燃料，研究瓦斯燃烧爆炸现象对碳氢燃料的燃烧爆炸有 有一定的借鉴作用。尽管这些碳氢燃料和空气混合物的爆炸性在具体的化学反应 机理与瓦斯爆炸有所不同，但它们有一个共同点，就是爆炸都是以火焰波的形式 向前传播的。在火焰传播机理及传播特性等方面有许多共性。在军事应用上，利 用甲烷的易燃易爆性，作为气体推迸剂燃料，同时甲烷是燃料空气炸药中常用的 燃料之一。 7 安徽理1 ：人学硕士学位论文 绪论 另外，对甲烷一空气混合气体爆炸火焰传播的研究，还有其理论价值。通过实 验管道中的瓦斯爆炸现象的研究，加深对湍流预混火焰现象的认识。该研究涉及 到燃烧理论、计算流体力学、气体动力学、化学动力学、动态测试技术等领域， 研究必将推动这些学科的交错发展，更好的认识工业生产中的湍流燃烧现象。当 前，由于计算机技术和c f d 学科的发展，它们与燃烧理论结合，加深了对气体燃 烧爆炸现象的认识。对燃烧、爆炸过程的数值模拟，给研究燃烧、爆炸现象带来 了便捷，定量描绘了燃烧过程中流场变化情况，而且对实际燃烧、爆炸过程有重 要的理论指导意义。因此，对瓦斯爆炸火焰传播特性的研究及进行相关的数值模 拟，无论在理论上还是在实用上都具有十分重要的意义。 1 4 本文的主要研究内容及创新点 1 4 1 主要内容 本文主要开展了以下方面的研究： ( 1 ) 进一步完善实验测试系统，在点火位置设霞光电传感器，记录测点信号的到 达时间，更精确和科学地研究火焰信号。 ( 2 ) 研究受限管道内甲烷空气预混气爆炸火焰传播的机理。 ( 3 ) 研究不同浓度下，管内爆炸火焰特征以及火焰速度和爆炸压力的规律。 ( 4 ) 研究障碍片情形下，管内爆炸火焰特征以及火焰速度和爆炸压力的规律。 ( 5 ) 研究爆炸火焰与压力波的位置关系。 ( 6 ) 建立封闭端弱点火，另一端开口条件下，预混气体爆炸火焰传播的简化模型， 并作了相关的近似处理，实现了火焰速度和压力的估算，计算结果与实验结果吻 合较好。 ( 7 ) 采用商用c f d 软件对简单情形的火焰流场参数进行模拟，并结合实验结果， 进行误差分析，对后续模拟工作有一定的帮助。 1 4 2 创新点 本文的特色与创新点体现在以下几个方面： ( 1 ) 本文选用的管道为全透明型，便于高速摄像捕捉火焰传播的整个过程，而国 内作管道内可燃气体爆炸研究的大多采用不透明或部分透明管道，无法分析火焰 运动全过程。 ( 2 ) 关心爆炸火焰的特征以及火焰与压力波的位置关系，通过光电传感器、压力 安徽理工大学硕士学位论文 绪论 传感器及高速摄像对火焰传播进行较为全面的观测，结果分析对预防和控制矿井 瓦斯爆炸提供有益的依掘。 ( 3 ) 与前人作研究的管道相比，管道长度较短，长径比较小，研究爆炸火焰传播 情况，丰富了这方面的研究。 ( 4 ) 采用简化模型得出了开口管与闭口管爆炸火焰传播参数计算式，方便了本实 验条件下火焰参数的估算。 ( 5 ) 采用p h o e i l i c s 软件作了密闭管道情形的火焰流场参数模拟，国内运用此软 件作管内气体爆炸方面的模拟很少。 - 9 安徽理t 大学硕十学位论文 管内可燃气体爆炸火焰的相关理论 2 管内可燃气体爆炸火焰的相关理论 2 1 预混气体火焰 预混气体是指着火前燃料和氧化剂已经均匀混合成可燃混合气体。而预混气 体火焰有静止火焰和传播火焰之分【3 ”，本文研究的是传播火焰。层流传播火焰理 论认为，预混气体的火焰锋面将燃料混合物与燃烧产物分开，火焰锋面厚度6 定 义为最大温差( t r _ t 0 ) 与最大温度梯度( d t d x ) 之比，即： 占：卫掣 ( 2 一1 ) ( d 丁出) 。 火焰锋面厚度也就是我们通常讲的火焰厚度，燃烧理论中认为层流火焰厚度不到 1 个毫米，而湍流火焰厚度通常为层流火焰厚度的1 0 j o o 倍【3 8 1 ，量级也不过为 厘米，通常大多数火焰的厚度只有几个毫米【3 9 】。在这样的一个很小的尺度上，气 体的物理参数( 如密度、温度、压力及组成等) 是变化的，研究该厚度上上述物 理参数的变化情况以及由此引起的火焰厚度上形态变化状况，就是火焰结构问题。 研究火焰结构问题必须采用特定的测试手段和方法，如采用高速摄像、纹影技术、 离子探针、温度热电偶等就可清楚地观测火焰流场参数地变化情况。理想状况下， 管道内火焰锋面为一平面，不存在任何扭曲变形，而实际上由于管道壁面存在摩 擦作用，导致火焰在管子中心处的速率大于管壁处，使得火焰锋面呈圆弧状( 如 图1 a ) ，同时又不可避免的存在浮力波动，使得圆弧面扭曲变形，形成非对称 形状( 如图1 - b ) 【4 0 l 。当然火焰在管道内传播不可避免的有热散失作用，管道的 火炮瞻面 出焰传播方向 ( a ) 圈l 管内火焰的形状 f 嘻1s h 印eo f f l m ei nt u b e 材质不同，其壁面的散热性能不一样，对火焰传播影响程度不一样。倘若管子内 径较小，而且管道壁散热性能好，则火焰传播有可能发生淬熄现象，此时火焰传 播将完全阻止。对火焰尚能勉强传播的最小直径称之为淬熄距离或淬熄直径。周 - 1 0 善 一少=雠垂霄 = 一 安徽理工大学硕士学位论文 管内可燃气体爆炸火焰的相关理论 凯元【2 9 ，4 1 1 教授就对气体爆燃火焰在狭缝中的淬熄现象作了研究，得到了传播火焰 与淬熄直径、淬熄长度之间的关系。正常情况下，管道直径不会太小，而且传播 火焰与管壁的接触时间短暂，管壁不会从火焰的深处获取能量，因此火焰呈加速 传播状况。当然不同管壁材质对火焰加速程度不一样的，有机玻璃材质就比钢材 质散热系数小，可以预见有机玻璃管道火焰传播速率要快一些。 描述管内火焰运动常用的物理量有火焰速度和燃烧速度。火焰速度是指火焰 沿管子相对固定坐标系( 通常为地面) 的速度。燃烧速度是指火焰沿其法线方向 上进入未燃混合气的速度，即火焰锋面与未燃混合气之间的相对速度。事实上， 火焰速度不是燃料的特征量，而取决于锋面前气流流动状况以及燃料燃烧状况； 相比较而言，燃烧速度是混合物的化学动力学特征常数，其值与燃烧反应动力学、 有无稀释剂、温度及压力有关。通常讲的基本燃烧速度就是燃料在常温、常压下 的层流燃烧速度。燃料的基本燃烧速度值较小，如化学计量浓度的甲烷空气燃料 基本燃烧速度仅为0 4 0 m s 。若假定未燃气流相对于固定坐标的流动速度记为v 0 ， 火焰速度记为v ，燃烧速度记为v + ，于是有以下的关系式： v = v v 0 ( 2 2 ) 如果火焰传播与未燃气的流动方向相同则取“+ ”，反之，取“一”。对于 静止气流= 0 时的火焰称为定置火焰，此时火焰速度就等于火焰锋面速度。假 如v o v ，则火焰就会传播到新鲜的可燃混气中去，产生“回火现象”。相反，假 如v o v ，则迎面的混气将把火焰推入易燃混气中( 燃气产物) ，结果产生“吹熄” 现象。 由于燃烧速度较难测量，而火焰速度相对容易些，因此常用火焰速度来表征 爆炸火焰的运动状况。例如采用光电传感器、光导纤维探头或离子探针就能较方 便的测定管道内火焰速度。文献 1 5 】中就利用离子探针对粗糙管内丙烷空气混合 物火焰传播进行了观测，效果较好。一般对层流火焰以及湍流度不大的湍流火焰 来说，火焰速度增加较稳定，但若外界条件复杂时，如有障碍物绕流、管壁强粘 性等综合作用，会引起大尺度的湍流和漩涡，使得火焰运动极不稳定，火焰面极 度的拉伸、扭曲，从而增加了燃烧面积和燃烧速度，达到很强的破坏效应，表现 出火焰速度增加极不稳定。 2 2 缓燃、爆燃和爆轰 燃烧理论中，认为当载气流的流速较低时燃烧速度较慢，火焰锋面前后的压 差较小，称之为缓燃，一般的工业及生活中的燃烧均属于缓燃；当预混气的流速 - 1 l 一 安徽理工大学硕十学位论文 管内可燃气体爆炸火焰的相关理论 大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面两侧有很大的压力突变，称之 为爆燃，此时的燃烧速度极快；爆轰则是由化学反应支持的超音速冲击波( 相对 于波前状态) 。 常见的碳氢燃料空气混合物在敞丌体系点火后燃烧，层流燃烧速率仅为 o 5 m s - i 【”，若在受限管道内燃烧速度和火焰速度将随管予状况变化明显。假定有 一很长的管道内充满预混可燃气体，忽略管子的热传导作用，则在密闭的一端弱 点火，那么燃料着火后理论上可有如图2 所示的这样个过程。然而实际情况却 回一圆一圈一圈祭圈 图2 管内预混气体爆炸发展过程 f 培2p m c e s so f p r e - m i x e dg a se x p l o s i o ni nt l l b e 很难形成d d t 过程【4 2 】，管内设有重复障碍物的可燃气体爆炸过程一般能形成爆 燃，而对光滑管道无障碍物而言通常为缓燃过程。既然爆燃是一种带有压力波的 燃烧，那么当燃烧阵面后边界有约束或障碍时，燃烧产物就可以建立一定的压力， 波阵面两侧就建立起一个压力差，那么在这个压力差下将形成所谓的压力波，习 惯上也称之为“前驱压力波”，火焰阵面是在已扰动的介质中传播的。爆燃波在行 进中形成“两波三区结构”，如图3 所示f 7 l ， 2 区i 区 o 区 e 2 ，p 2 ，p 每u 2竖e b pbuk e 凡pqm c 如t ；v2c bt l ，y l 国t o jv o 爆燃波阵面前驱压力波阵面 e 一比内能p 一压力p 密度u 一粒了速度c 一音速卜温度y 一绝热指数 0 区一可燃混台气的初始状态 1 区一前驱压力波通过后的状态 2 区一爆燃波阵面( 火焰阵面) 通过后的状态 图3 爆燃波的“两波三区”结构 f i g 31 、v ow a v e sa n dt h r e ea r e a so f d e f l a g r a t i o nw a v e 因此，爆燃是由前驱压力波和后随的火焰阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧 波，它可以因约束的减弱、排气及时使压力波减弱，直至压力波减弱沦为定压燃 - 1 2 安徽理r 人学硕士学位论文 管内可燃气体爆炸火焰的相关理论 烧。所谓定压燃烧实际上是爆燃的一个特例，此时爆燃波传播速度很慢，在行进 的每一个时刻压力都能达到平衡，所以该种燃烧不会引起压力升高或形成压力波， 也不会产生破坏性的冲击波。相对而言，定容爆炸就是爆燃的另一个极端，是一 个理想化的概念，假定容器中混合气体被突然加热到快速燃烧温度，或容器中混 合