梁運(yùn)濤,曾 文

(1.煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽110016;2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

1 引 言

礦井瓦斯爆炸是煤礦災(zāi)害中的一類重大惡性事故。在我國隨著煤炭產(chǎn)量逐年提高,國民經(jīng)濟(jì)對(duì)于煤炭能源的需求越來越大,近年來煤礦瓦斯爆炸事故呈上升趨勢,每年都有死亡近百人的惡性事故發(fā)生[1-2]。瓦斯爆炸在瓦斯?jié)舛确植?、引爆方式和?qiáng)度極限、空間幾何特性及尺寸效應(yīng)等條件具備后,由爆燃過程轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z過程[3]。瓦斯爆轟對(duì)煤礦礦井的破壞效應(yīng)要比爆燃大得多,原因在于爆轟會(huì)出現(xiàn)沖擊波,爆溫、爆壓和爆速的量級(jí)較高。氣相爆轟波的傳播是由于前驅(qū)激波壓縮和加熱未燃?xì)怏w,發(fā)生迅速的化學(xué)反應(yīng);而化學(xué)反應(yīng)釋放的能量又用來供給激波的傳播。同時(shí),爆轟過程中化學(xué)反應(yīng)是有限速率的,在誘導(dǎo)陣面和能量釋放區(qū)之間存在誘導(dǎo)區(qū)[4]。對(duì)激波誘導(dǎo)爆炸性燃料點(diǎn)燃過程的深入研究,從安全角度來看有著十分重要的意義[5-6]。實(shí)驗(yàn)研究一直是爆炸事故過程的規(guī)律和機(jī)理研究的基本手段。與實(shí)驗(yàn)相比,數(shù)值模擬則具有快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn),而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)理論的不斷發(fā)展,數(shù)值仿真的精度和經(jīng)濟(jì)性還在不斷提高,已經(jīng)成為對(duì)爆炸過程進(jìn)行重現(xiàn)和研究的重要手段[7-8]。

本文中,對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中溫度、壓力的變化歷程、氣相爆轟波的傳播速度、反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)、促使瓦斯爆炸的自由基摩爾分?jǐn)?shù)及瓦斯爆炸后部分有毒氣體摩爾分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行詳細(xì)分析;同時(shí),對(duì)影響激波管中瓦斯爆炸的動(dòng)力學(xué)特性及部分有毒氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化的因素進(jìn)行分析,為礦井安全設(shè)計(jì)、防控瓦斯爆炸提供參考。

2 物理模型

主要對(duì)激波管中激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。激波管是一種廣泛應(yīng)用于分析可反應(yīng)氣體的化學(xué)動(dòng)力學(xué)行為特性的實(shí)驗(yàn)器材[9]。在激波管中,通過1 層薄膜把整個(gè)管道分為高壓區(qū)域(誘導(dǎo)氣體)與低壓區(qū)域(可反應(yīng)氣體)。當(dāng)高壓氣體發(fā)生爆炸時(shí)將形成沖擊波(激波),沖擊波沖破薄膜,向可反應(yīng)氣體方向傳播,提高溫度和壓力,誘發(fā)化學(xué)反應(yīng),從而發(fā)生爆炸。激波管的物理模型如圖1,圖中us 為沖擊波速度,激波管右側(cè)為未反應(yīng)混合氣,激波管左側(cè)為激波過后已反應(yīng)或爆炸氣體。

3 數(shù)學(xué)模型

圖1 激波管示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shock tube

假設(shè)激波管中的氣體流動(dòng)為絕熱,同時(shí),忽略橫向截面上與質(zhì)量擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)及粘度影響相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象。一維流動(dòng)的連續(xù)性方程、組分方程、動(dòng)量方程和能量方程分別為[10]

其中

邊界條件采用層流邊界條件

簡要計(jì)算流程如下:先由CHEM KIN Ⅲ程序包中的CHEM KIN IN TERPRETE R 程序塊讀入化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理和熱力學(xué)數(shù)據(jù),生成CHEM KIN.ASC 輸出文件,然后用S HOCK 主程序調(diào)用該輸出文件和另一個(gè)輸入文件,該輸入文件為計(jì)算模型的初始計(jì)算條件和計(jì)算迭代的設(shè)置,進(jìn)行控制方程的求解,最后生成一輸出文件。其中SHOCK 中對(duì)剛性的常微分方程的求解主要調(diào)用了求解器LSODE。

4 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

計(jì)算采用的甲烷燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)機(jī)理見文獻(xiàn)[11],包括53 種組分、325 個(gè)反應(yīng)。這個(gè)機(jī)理得到了大量的驗(yàn)證,基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。表1 列出了部分關(guān)鍵反應(yīng)基元步。

表1 瓦斯爆炸化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理(部分反應(yīng)基元步)Table 1 The detailed reaction mechanisms of gas explosion

5 計(jì)算結(jié)果與分析

瓦斯爆炸發(fā)生的3 個(gè)條件為[12]:(1)甲烷與空氣混合氣體中,甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.04 ～0.16;(2)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于0.12;(3)高溫?zé)嵩?溫度高于650 ℃)存在的時(shí)間大于瓦斯的引火感應(yīng)期。在本文計(jì)算中,利用激波提供能量來替代高溫?zé)嵩础＜げü苤谢旌蠚獬跏紬l件分別為:T0=300 K,p0=0.6 kPa,φCH4=0.10,φO2=0.18,φN2=0.72,us=2.8 km/s,激波管直徑d=3.0 cm。

5.1 激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸的動(dòng)力學(xué)特性分析

圖2 顯示了激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中溫度、沖擊波傳播速度的變化歷程。從圖2(a)可以看出,沖擊波到達(dá)初始混合氣瞬間釋放出巨大能量,使初始混合氣溫度從初始的300 K 驟然上升為2 950 K左右,從而引發(fā)初始混合氣的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2 μs 左右時(shí),由于支鏈反應(yīng)所生成的活化中心摩爾分?jǐn)?shù)越來越高(見圖3),從而引發(fā)瓦斯爆炸,溫度急劇上升。當(dāng)激波管中的甲烷消耗完全后(見圖3),即反應(yīng)時(shí)間在5 μs 左右時(shí),溫度達(dá)到峰值,為3 400 K 左右。隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)延長,溫度基本維持穩(wěn)定。當(dāng)沖擊波到達(dá)初始混合氣時(shí),激波尾部將以音速反向進(jìn)入高壓混合氣(圖1 中的反應(yīng)產(chǎn)物區(qū)),從而降低激波在管中的傳播速度,如圖2(b)所示。當(dāng)初始混合氣被引爆的瞬間,激波的傳播速度驟然增加,在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值,然后雖略有下降,但下降幅度較小。

圖3 顯示了激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)及促進(jìn)瓦斯爆炸的活化中心摩爾分?jǐn)?shù)的變化歷程。從圖3(a)可以看出,沖擊波到達(dá)初始混合氣后,提高了溫度與壓力(見圖2),誘發(fā)了化學(xué)反應(yīng),從而引發(fā)爆炸。在此過程中甲烷與氧氣摩爾分?jǐn)?shù)迅速降低,甲烷在5 μs 時(shí)已由初始的0.01 降低到接近為零,氧氣在10 μs時(shí)已由初始的0.18 低為0.02 左右,然后維持穩(wěn)定。沖擊波到達(dá)初始混合氣后,甲烷將發(fā)生支鏈反應(yīng),生成HO 2、H、O 等自由基,而H 自由基與O 自由基進(jìn)一步生成OH 自由基。這些自由基活性很大,在反應(yīng)鏈中形成活化中心,而活化中心摩爾分?jǐn)?shù)是引發(fā)瓦斯爆炸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從圖3(b)可以看出,在瓦斯爆炸前的瞬間,H 自由基與O 自由基摩爾分?jǐn)?shù)急劇上升,從而形成摩爾分?jǐn)?shù)極高的活化中心,引發(fā)瓦斯爆炸。

圖2 溫度、沖擊波傳播速度的變化歷程Fig.2 The variational currents of temperature and the velocity of shock w ave

圖3 反應(yīng)物、活化中心摩爾分?jǐn)?shù)的變化歷程Fig.3 The variational currents of mole fractions of reactants and active centers

圖4 顯示了激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中部分致災(zāi)性氣體的生成與演變歷程。

NO 是一種極不穩(wěn)定的氣體,在常溫下能很快與空氣中的氧化合成。當(dāng)NO 2 與CO 共存時(shí),毒性更強(qiáng)。NO 2 對(duì)人體的毒害與摩爾分?jǐn)?shù)和作用時(shí)間有關(guān)。的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到6×10-5時(shí),咳嗽、胸部作痛;達(dá)到10-4時(shí),惡心、嘔吐;達(dá)到2.5×10-4時(shí),短時(shí)間內(nèi)死亡。從圖4(b)可以看出,瓦斯爆炸后NO 的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到了10-3左右,NO 2 的摩爾分?jǐn)?shù)則在10-6左右。

圖4 部分致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)的變化歷程Fig.4 The variational currents of mole fractions of catastrophic gases

5.2 初始?jí)毫?duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸的動(dòng)力學(xué)特性的影響

瓦斯爆炸前混合氣初始?jí)毫κ且粋€(gè)重要影響參數(shù)。在實(shí)際過程中,通常突然發(fā)生大面積的瓦斯冒出,瓦斯的壓力較大,并且巷道比較狹窄,通風(fēng)條件不好,那么意味著巷道中瓦斯空氣混合氣體的壓力和體積分?jǐn)?shù)升高,初始?jí)毫Πl(fā)生了變化,通常大于0.1 M Pa,有時(shí)局部達(dá)0.5 M Pa 左右。因此,忽略初始?jí)毫ρ芯客咚贡ㄟ^程必然會(huì)帶來誤差,初始?jí)毫?duì)瓦斯爆炸的發(fā)生和傳播是不可忽略的因素。

圖5 顯示了初始?jí)毫?duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中溫度、壓力變化歷程的影響。從圖5(a)可以看出,隨著瓦斯爆炸前初始?jí)毫Φ奶岣?瓦斯引爆時(shí)間將縮短,爆炸后溫度將降低。當(dāng)初始?jí)毫?.4 kPa 時(shí),瓦斯引爆時(shí)間為3 μs 左右,而當(dāng)初始?jí)毫μ岣叩?.8 kPa 時(shí),瓦斯引爆時(shí)間縮短為1 μs 左右。初始?jí)毫μ岣?.4 kPa,瓦斯引爆時(shí)間將縮短2 μs左右。同時(shí),如圖5(b)所示,隨著初始?jí)毫Φ奶岣?爆炸后壓力將急劇升高。當(dāng)初始?jí)毫?.4 kPa 時(shí),爆炸后壓力為30 kPa 左右,當(dāng)初始?jí)毫?.8 kPa 時(shí),爆炸后壓力上升為60 kPa 左右。

圖5 初始?jí)毫囟?、壓力變化歷程的影響Fig.5 The effects of initial pressure on the variational currents of temperature and pressure of shock w ave

圖6 初始?jí)毫?duì)反應(yīng)物、活化中心摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程的影響Fig.6 The effects of initial pressure on the variational currents of mole fractions of reactants and active centers

圖6 顯示了初始?jí)毫?duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中反應(yīng)物及部分活化中心摩爾分?jǐn)?shù)變化趨勢的影響。從圖6(a)可以看出,隨著初始?jí)毫Φ奶岣?甲烷完全消耗所需的反應(yīng)時(shí)間將縮短。當(dāng)初始?jí)毫?.4 kPa 時(shí),甲烷完全消耗的反應(yīng)時(shí)間為9 μs 左右,而當(dāng)初始?jí)毫μ岣叩?.8 kPa 時(shí),甲烷完全消耗的反應(yīng)時(shí)間為4 μs 左右。如圖6(b)所示,隨著初始?jí)毫Φ奶岣?活化中心摩爾分?jǐn)?shù)急劇升高的反應(yīng)時(shí)間得到提前,同時(shí),當(dāng)活化中心摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),初始?jí)毫υ礁?活化中心摩爾分?jǐn)?shù)也越高,瓦斯爆炸也更加快速與劇烈。

圖7 顯示了初始?jí)毫?duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中部分致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化趨勢的影響。從圖可以看出,隨著初始?jí)毫Φ奶岣?CO、NO 摩爾分?jǐn)?shù)急劇升高的反應(yīng)時(shí)間將縮短,爆炸后CO 摩爾分?jǐn)?shù)將有所降低,但NO摩爾分?jǐn)?shù)將有所提高。

圖7 初始?jí)毫?duì)部分致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程的影響Fig.7 The effects of initial pressure on the variational currents of mole fractions of catastrophic gases

5.3 初始混合氣組成對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸的動(dòng)力學(xué)特性的影響

圖8 顯示了初始混合氣組成對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中溫度、壓力變化歷程的影響。從圖可以看出,隨著混合氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低,瓦斯引爆時(shí)間將縮短,爆炸后溫度將下降,但是,壓力將有所升高。當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.12 時(shí),引爆時(shí)間為3 μs左右;當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.08時(shí),引爆時(shí)間為1 μs 左右。

圖8 初始混合氣組成對(duì)溫度、壓力變化歷程的影響Fig.8 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of temperature and pressure of shock w ave

圖9 初始混合氣組成對(duì)反應(yīng)物、活化中心摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程的影響Fig.9 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of mole fractions of reactants and active centers

圖9 顯示了初始混合氣組成對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中反應(yīng)物、活化中心摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程的影響。從圖9(a)可以看出,隨著混合氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低,甲烷完全消耗所需的反應(yīng)時(shí)間將縮短。當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.12 時(shí),甲烷完全消耗的反應(yīng)時(shí)間為7 μs 左右;當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.08 時(shí),甲烷完全消耗的反應(yīng)時(shí)間為5 μs 左右,縮短了2 μs左右。如圖9(b)所示,隨著混合氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低,O 自由基摩爾分?jǐn)?shù)急劇上升的反應(yīng)時(shí)間將縮短,同時(shí),摩爾分?jǐn)?shù)也將得到大幅提高。

圖10 顯示了初始混合氣組成對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸過程中部分致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程的影響。從圖10(a)可以看出,隨著混合氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低,瓦斯爆炸后CO 的摩爾分?jǐn)?shù)將大幅降低。當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.12 時(shí),爆炸后CO 的摩爾分?jǐn)?shù)為0.09 左右;當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)為0.08 時(shí),爆炸后CO 的摩爾分?jǐn)?shù)為0.05 左右,降低了0.04。如圖10(b)所示,隨著混合氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低,爆炸后NO 摩爾分?jǐn)?shù)將升高。

圖10 初始混合氣組成對(duì)部分致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化歷程的影響Fig.10 The effects of initial composition of mixed-gas on the variational currents of mole fractions of catastrophic gases

6 結(jié) 論

(1)沖擊波到達(dá)初始混合氣后,誘發(fā)瓦斯發(fā)生爆炸的時(shí)間為2 μs 左右;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為20 μs 時(shí),CO的摩爾分?jǐn)?shù)為0.07 左右,CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.02 左右,NO 的摩爾分?jǐn)?shù)為10-3左右,而NO2的摩爾分?jǐn)?shù)則在10-6左右。

(2)在瓦斯爆炸前的瞬間,H 自由基與O 自由基摩爾分?jǐn)?shù)急劇上升,從而形成摩爾分?jǐn)?shù)極高的活化中心,引發(fā)瓦斯爆炸。

(3)隨著瓦斯爆炸前混合氣初始?jí)毫Φ奶岣?瓦斯引爆時(shí)間縮短。初始?jí)毫μ岣?.4 kPa,瓦斯引爆時(shí)間縮短2 μs 左右。但是爆炸后溫度降低,壓力升高。同時(shí),反應(yīng)結(jié)束時(shí)CO 的摩爾分?jǐn)?shù)度降低,NO 的摩爾分?jǐn)?shù)則提高。

(4)隨著爆炸前初始混合氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低,瓦斯引爆時(shí)間縮短,爆炸后溫度下降,但是,壓力有所升高?；旌蠚庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)降低0.04,引爆時(shí)間將縮短2 μs。同時(shí),反應(yīng)結(jié)束時(shí)CO 的摩爾分?jǐn)?shù)降低,NO 的摩爾分?jǐn)?shù)則提高。

[1] T roiani G.Effect of velocity inflow conditions on the stability of a CH4/air jet-flame[J].Combustion and Flame,2009,156(2):539-542.

[2] 李敬民.煤礦井下爆破氣體的危害及其預(yù)防[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005,2:34-36.LI Jing-min.Mine harmful gas that af ter bursting and preventive measures[J].Journal of North China Institute of Science and Technology,2005,2:34-36.

[3] 丁廣驤.煤礦巷道瓦斯爆轟理論分析和參數(shù)計(jì)算[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(1):37-40.DING Guang-xiang.Theoretical analysis and calculation of methane gas explosion in coal gangw ay[J].Journal of China University of Mining&Technology, 2000,29(1):37-40.

[4] Lu F K,Ortiz A A,Li J M, et al.Detection of shock and detonation w ave propagation by cross correlation[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2009,23(4):1098-1111.

[5] Essen V M,Sepman A V,Mokhov A V,et al.Pressure dependence of NO formation in laminar fuel-rich premixed CH4/air f lames[J].Combustion and Flame, 2008,3:434-441.

[6] Rodat S, Abanades S,Coulié J, et al.Kinetic modelling of methane decomposition in a tubular solar reactor[J].Chemical Engineering Journal, 2009,146(1):120-127.

[7] Oh K H,Kim H,Kim J B,et al.A study on the obstacle-induced variation of the gas explosion characteristics[J].Loss Prevention in Process Indust ries,2001,14:597-602.

[8] 范寶春,雷勇,姜孝海.激波與堆積粉塵相互作用的數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊,2002,22(3):216-220.FAN Bao-chun,LEI Yong,JIANG Xiao-hai.Numerical simulation of interactions of shock w aves with air/granular material interface[J].Explosion and Shock Waves,2002,22(3):216-220.

[9] 劉向軍,陳昊.初始?jí)毫?duì)礦井瓦斯爆炸過程影響的理論研究[J].礦冶,2006,15(1):5-9.LIU Xiang-jun, CHEN H ao.Theoretical study on the effects of initial pressure on methane explosion in coal mine[J].Mining&Metallurgy,2006,15(1):5-9.

[10] Mitchell R E,Kee R J.Shock:A general purpose com puter code for predicting chemical kinetic behavior behind incident and reflected shocks[R].SAND82-8205.Sandia National Laboratory, 1998.

[11] Gregory P,Smith D G.Gri-Mech 3.0[EB/OL].http://ww w.me.berkeley.edu/gri_mesh/version30/text30.html,2005/2007.

[12] 陳楨.礦井火區(qū)可燃?xì)怏w爆炸分析[J].煤礦現(xiàn)代化,2005,5:17-18.CH EN Zhen.Analysis on explosion of combustible gases in underground fire zone[J].Coal Mine Modernization,2005,5:17-18.

[13] Pintgen F,Shepherd J E.Detonation diff raction in gases[J].Combustion and Flame,2009,156(3):665-677.