賈進(jìn)章 田秀媛 趙 丹 王楓瀟

①遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院(遼寧阜新，123000)

②礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室(遼寧阜新，123000)

③湛江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院(廣東湛江，524000)

引言

瓦斯爆炸是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)安全的頭號(hào)殺手。關(guān)于瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波和火焰波傳播規(guī)律方面的研究引起了眾多學(xué)者的濃厚興趣，取得了豐碩的成果[1-4]。

Mason等[5]在半封閉實(shí)驗(yàn)管道中進(jìn)行了甲烷-空氣爆炸實(shí)驗(yàn)，探究了管道內(nèi)火焰的加速傳播過(guò)程。Lee 等[6]全面研究了火焰加速傳播及其爆燃轉(zhuǎn)爆轟的過(guò)程。Blanchard 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，沖擊波經(jīng)過(guò)90°管道時(shí)爆炸超壓顯著增強(qiáng)。Thomas 等[8]發(fā)現(xiàn)，爆炸沖擊波流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲過(guò)度區(qū)域的影響，會(huì)出現(xiàn)湍流加速與燃燒速率突變現(xiàn)象。Jia 等[9]研究了不同截面形狀管道中瓦斯爆炸的傳播特性，發(fā)現(xiàn)梯形管道中爆炸壓力達(dá)到峰值所需時(shí)間最長(zhǎng)、溫度最低、火焰?zhèn)鞑ニ俾首钚?。趙丹等[10]發(fā)現(xiàn)，不同形狀管道中爆炸超壓增長(zhǎng)速率由快到慢依次為T 型、X型和L 型，超壓衰減速率從大到小依次為L(zhǎng) 型、T 型和X 型。Niu 等[11]發(fā)現(xiàn):橫向分支會(huì)形成一個(gè)超壓上升區(qū)；在平行支路中，最大爆炸超壓呈逐漸下降趨勢(shì)，火焰?zhèn)鞑ニ俾食噬仙笙陆第厔?shì)。楊前意等[12]得到了沖擊波超壓峰值的衰減速率隨彎管角度的增大而增大的結(jié)論。黃強(qiáng)等[13]探究了爆炸腔內(nèi)不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯發(fā)生爆炸時(shí)的傳播特征和90°彎管的泄爆特性，結(jié)果表明:爆炸沖擊波在管道中傳播為多次超壓，超壓峰值逐漸減??；瓦斯體積分?jǐn)?shù)為5.8%～11.0% 時(shí)，沖擊波超壓峰值和火焰大小經(jīng)90°彎管道后均有較明顯的衰減。朱傳杰等[14]發(fā)現(xiàn):在爆炸初期，爆炸超壓峰值在并聯(lián)管道的兩端都較為接近，且并聯(lián)管道中的超壓衰減速率較為接近。解北京等[15-16]利用透明丁字管道系統(tǒng)和帶有任意傾角的實(shí)驗(yàn)管道研究了不同封閉條件下甲烷爆炸的火焰前鋒傳播特性。Qiu 等[17]研究了瓦斯爆炸沖擊波在不同彎頭管道中的超壓傳播規(guī)律，得到了沖擊波超壓衰減系數(shù)的表達(dá)式，結(jié)果表明:管道方向的改變加速了沖擊波的衰減。

高建良等[18]研究了沖擊波超壓在對(duì)稱角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的變化特征和角聯(lián)分支對(duì)主巷道內(nèi)沖擊波傳播的影響。景國(guó)勛等[19]探究了管口封閉材料對(duì)分岔管道中爆炸壓力和火焰速率的影響，結(jié)果表明:隨著分岔角度增大，管道中爆炸壓力和火焰速率均增大。馬恒等[20]在H 型巷道中研究瓦斯爆炸及泄爆過(guò)程中壓力及風(fēng)流流態(tài)的變化，結(jié)果表明:爆炸沖擊波經(jīng)巷道壁面反射后與正向沖擊波疊加，增大了疊加區(qū)域的壓力。劉玉姣等[21]基于HLLC 算法對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了兩個(gè)爆炸腔體同時(shí)點(diǎn)火條件下的沖擊波衰減規(guī)律。孟亦飛等[22]、董銘鑫等[23]使用Fluent 軟件研究了大尺寸管網(wǎng)中沖擊波和火焰波變化特性，但未研究沖擊波衰減特性和火焰波突變特性。

關(guān)于瓦斯爆炸傳播特性的研究大多從長(zhǎng)直管道和簡(jiǎn)單的平行管道或單分支管道開展[24-27]。除此之外，在管網(wǎng)中開展的部分研究[1，11]未能定量或定性地確定沖擊波、火焰波的傳播特性，研究結(jié)論普適性不強(qiáng)?；诖耍瑢⒉⒙?lián)管路、分岔管路與帶有傾角的角聯(lián)管路進(jìn)行組合，研究角聯(lián)管網(wǎng)中瓦斯爆炸沖擊波和火焰波的傳播特性。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)(圖1)主要由實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)和爆炸腔體組成。爆炸腔體容積為0.5 m3，各管道內(nèi)徑為500 mm，管壁厚度為15 mm，耐壓20 MPa 以上[28]。管網(wǎng)由5 條支管組合而成，每條支管上設(shè)置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)。各管道之間由螺絲緊密連接，管網(wǎng)出口用法蘭盤封閉，管道上設(shè)有安裝傳感器的螺紋孔，各管道連接處均安裝密封墊片以提高設(shè)備密封性，采用聚四氟乙烯薄膜將爆炸腔體和管道隔開。爆炸腔體抽真空后，通入體積分?jǐn)?shù)9.5%的瓦斯實(shí)驗(yàn)氣體，管道中為常壓空氣。點(diǎn)火時(shí)，接通外觸發(fā)裝置開關(guān)，同時(shí)確保點(diǎn)火器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步開始工作，待裝置上信號(hào)燈亮之后，按下外觸發(fā)裝置上的觸發(fā)按鈕，觸發(fā)點(diǎn)火。點(diǎn)火系統(tǒng)主要包括DX-GDH 高能點(diǎn)火器、高能火花塞、耐高壓高溫電纜、電源電纜以及外部觸發(fā)裝置。火花塞置于爆炸腔體最前端，發(fā)火電壓2 200 V，單次儲(chǔ)能30 J。采用TST6300 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括CYG1721 型高精度壓力傳感器、具有侵蝕性探頭的NANMACE6 系列快速響應(yīng)熱電偶、CKG100 型光敏火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｋ袀鞲衅鞯牟蓸訒r(shí)間均為1 ms，采樣精度為0.2%FS。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沖擊波傳播特性

圖2 為測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)的沖擊波超壓隨時(shí)間的變化情況。對(duì)圖2 分析可得各測(cè)點(diǎn)的沖擊波參數(shù)，如表1 所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)的沖擊波參數(shù)Tab.1 Parameters of shock waves at each monitoring point

支管L1中，測(cè)點(diǎn)1＃和測(cè)點(diǎn)2＃處的超壓峰值皆出現(xiàn)在反應(yīng)初期。測(cè)點(diǎn)1＃在0.209 s 達(dá)到超壓峰值，為0.453 MPa；在0.478 s 時(shí)，爆炸超壓出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)并有短暫的持續(xù)上升趨勢(shì)。這主要是由于與支管L1相連接的支管L4和支管L5中沖擊波壓力回流共同作用，在L1管中出現(xiàn)了一個(gè)較大的超壓極大值，反應(yīng)后期的超壓逐漸衰減。測(cè)點(diǎn)2＃在0.252 s達(dá)到峰值(0.421 MPa)，較測(cè)點(diǎn)1＃處超壓峰值有明顯的下降，說(shuō)明角聯(lián)管網(wǎng)中的壓力沖擊波在直管中經(jīng)過(guò)分岔管道后有了明顯的衰減現(xiàn)象。在爆炸中后期，測(cè)點(diǎn)2＃的超壓小于測(cè)點(diǎn)1＃，且波動(dòng)更小，這是由于測(cè)點(diǎn)2＃所處位置相對(duì)靠后，受其他支管中壓力沖擊波的影響較測(cè)點(diǎn)1＃小。

支管L2中，壓力沖擊波的疊加與衰減次數(shù)較支管L1中沖擊波明顯增加，整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的超壓極值點(diǎn)數(shù)量有所增加。在爆炸初期，由于其他管路中壓力沖擊波的多次疊加與衰減，測(cè)點(diǎn)3＃處壓力沖擊波出現(xiàn)了小幅振蕩波動(dòng)，在0.574 s 達(dá)到超壓峰值(0.379 MPa)；隨后，出現(xiàn)衰減趨勢(shì)；在0.732 s 時(shí)，由于受到支管L1中經(jīng)直角管道后的壓力沖擊波的疊加作用，爆炸超壓出現(xiàn)明顯的持續(xù)上升趨勢(shì)，并在0.850 s 時(shí)達(dá)到極大值；之后，隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，沖擊波不斷衰減，總體上呈下降趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)4＃處的超壓在前0.400 s 中升降波動(dòng)變化較??；在0.400 s 之后，出現(xiàn)了超壓激增現(xiàn)象；在經(jīng)過(guò)多次的升降浮動(dòng)變化之后，于0.615 s 時(shí)，達(dá)到了超壓峰值(0.342 MPa)；隨著爆炸反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，后期壓力沖擊波逐漸衰減。

支管L3中，壓力沖擊波的升降次數(shù)略有增加。測(cè)點(diǎn)5＃處的超壓出現(xiàn)了兩次明顯的極大值:較早一次極大值出現(xiàn)在0.502 s，此次峰值出現(xiàn)的原因主要是壓力沖擊波第一次正向傳播，并經(jīng)過(guò)兩次管道拐彎的加速影響；第二次出現(xiàn)極大值(0.386 MPa)是在0.769 s，出現(xiàn)的主要原因是正向沖擊波衰減過(guò)程中，受其他管路中沖擊波疊加影響而再次增加，隨著爆炸結(jié)束，沖擊波不斷地衰減，超壓開始迅速下降。測(cè)點(diǎn)6＃因位置更加靠近爆炸源，故超壓在0.505 s 時(shí)達(dá)到最大(0.415 MPa)；在0.926 s時(shí)，因泄爆口泄壓影響，超壓降至整個(gè)過(guò)程中的最小值；此后，雖然受到其他管路中壓力沖擊波的疊加影響，超壓出現(xiàn)小幅升降波動(dòng)，但總體變化較小。

支管L4中:測(cè)點(diǎn)8＃在正向壓力沖擊波出現(xiàn)了超壓峰值；而測(cè)點(diǎn)7＃是受到多股壓力沖擊波的疊加作用而出現(xiàn)超壓峰值。測(cè)點(diǎn)8＃因?yàn)榫嚯x測(cè)點(diǎn)1＃較近，所以，在爆炸初期的壓力沖擊波經(jīng)過(guò)分岔管道而加速，在0.403 s 出現(xiàn)了超壓峰值(0.402 MPa)；隨后，壓力沖擊波的衰減作用逐漸超過(guò)了沖擊波的疊加效應(yīng)，而成為了超壓變化的主導(dǎo)因素，所以超壓呈不斷下降趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)7＃處，由于受到正向沖擊波的作用，約在0.426 s 時(shí)出現(xiàn)了第一個(gè)超壓極大值；之后，隨著壓力沖擊波的疊加效應(yīng)，超壓出現(xiàn)了3 個(gè)較為明顯的極大值，在0.989 s 時(shí)超壓達(dá)到了最大值(0.364 MPa)，此時(shí)，爆炸已進(jìn)入中、后期，所以超壓峰值較測(cè)點(diǎn)8＃處的峰值有一定差距。

支管L5中，2 個(gè)測(cè)點(diǎn)均因?yàn)檎驔_擊波的作用而達(dá)到超壓峰值。測(cè)點(diǎn)9＃距測(cè)點(diǎn)1＃較近，所以，爆炸初期的壓力沖擊波經(jīng)過(guò)直角管道而加速，超壓迅速增大，在0.435 s 時(shí)，出現(xiàn)了超壓峰值(0.392 MPa)；隨后，壓力沖擊波的衰減作用逐漸增強(qiáng)，在此期間，沖擊波的疊加與衰減的同時(shí)作用下，沖擊波在0.600 s 左右出現(xiàn)了多次振蕩波動(dòng)，最終，隨著爆炸的進(jìn)行，沖擊波進(jìn)一步衰減。測(cè)點(diǎn)10＃因靠近泄爆口，壓力沖擊波的變化趨勢(shì)波動(dòng)較小，在0.495 s時(shí)，達(dá)到了超壓峰值(0.358 MPa)；隨后，壓力沖擊波開始逐漸衰減。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):與直管或簡(jiǎn)單分叉管道中不同，沖擊波超壓在衰減時(shí)期并不隨時(shí)間的增大呈現(xiàn)逐步減小的狀態(tài)，而是出現(xiàn)了多次的超壓反復(fù)增減變化。其原因主要是由于角聯(lián)管網(wǎng)中各管道的相互連通，組成了多個(gè)回路，沖擊波在整個(gè)傳播過(guò)程中經(jīng)歷了多次同向疊加與相向?qū)_，從而出現(xiàn)了與在簡(jiǎn)單管路中截然不同的傳播特性，即沖擊波在角聯(lián)管網(wǎng)中的傳播呈現(xiàn)復(fù)雜無(wú)序狀態(tài)。

平均升壓速率和爆炸威力指數(shù)[29]是表征瓦斯爆炸沖擊波超壓變化特性的重要參數(shù)。平均升壓速率為

式中:pm為最大爆炸壓力，MPa；p0為初始?jí)毫?，MPa；△t為由初始?jí)毫υ龃蟮阶畲蟊▔毫λ脮r(shí)間，s。

瓦斯爆炸破壞力大小主要是由爆炸威力指數(shù)決定的。

式中:K為爆炸威力指數(shù)，1012Pa2/s；pm為最大爆炸壓力，MPa；v為平均升壓速率，MPa/s。

各測(cè)點(diǎn)和平均升壓速率爆炸威力指數(shù)見表1。

由表1 可知:各測(cè)點(diǎn)爆炸威力由強(qiáng)到弱的順序分別為:測(cè)點(diǎn)1＃、測(cè)點(diǎn)2＃、測(cè)點(diǎn)8＃、測(cè)點(diǎn)9＃、測(cè)點(diǎn)6＃、測(cè)點(diǎn)10＃、測(cè)點(diǎn)3＃、測(cè)點(diǎn)5＃、測(cè)點(diǎn)4＃、測(cè)點(diǎn)7＃；斜角聯(lián)支管L4中，測(cè)點(diǎn)8＃處爆炸威力指數(shù)大于并聯(lián)支管L2、L5中的測(cè)點(diǎn)3＃和測(cè)點(diǎn)9＃，說(shuō)明沖擊波傳播在不同的管道結(jié)構(gòu)時(shí)(圖3)，流經(jīng)45°分岔管道中爆炸威力最大。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)7＃的爆炸威力指數(shù)在各測(cè)點(diǎn)中最小，說(shuō)明沖擊波在斜角聯(lián)支管中的壓力損失較并聯(lián)支管壓力損失更大，超壓爆炸威力下降幅度更大。

2.2 火焰波傳播特性

火焰波傳播速率是表征瓦斯爆炸火焰波變化特性的重要參數(shù)[30-32]。記錄管網(wǎng)各支管中相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的火焰波到達(dá)時(shí)間，可計(jì)算出火焰?zhèn)鞑サ钠骄俾?/p>

式中:vi為相鄰2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的火焰?zhèn)鞑テ骄俾?，m/s；△l為相鄰2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離，m；△t為火焰波經(jīng)過(guò)相鄰2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，s。

管網(wǎng)中各支管的火焰波鋒面?zhèn)鞑ニ俾驶谠诘刃l件下進(jìn)行的2 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算2 個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的算術(shù)平均值，以確定每個(gè)分支管道中的火焰波速率峰值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各支管火焰?zhèn)鞑ニ俾蔜ab.2 Propagation speed of flame in each branch pipe

由表2 可知，各支管中的火焰?zhèn)鞑ニ俾视纱蟮叫?L3、L2、L4、L5、L1。L3中的火焰?zhèn)鞑ニ俾首羁?，主要原因是由于L3中出現(xiàn)了更大的壓力損失，損失的一部分壓力發(fā)生了能量轉(zhuǎn)換，對(duì)火焰鋒面起到了加速作用，導(dǎo)致L3中的火焰波在加速過(guò)程中具有更高的加速梯度，火焰波傳播速率峰值在所有支管中最高。

同理，L2、L4和L5中的火焰?zhèn)鞑ニ俾史逯翟诨鹧孀约铀贆C(jī)制的基礎(chǔ)上受到了壓力損失而帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)化的加速作用，但因壓力損傷較L3更小，所以加速程度相對(duì)較小。而L1中的火焰?zhèn)鞑ニ俾史逯翟谒兄Ч苤凶畹?。這是因?yàn)椋诒ǖ某跏茧A段，L1中2 個(gè)測(cè)點(diǎn)的超壓峰值在所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中分列前兩位，因此，L1中的超壓峰值高于其他支管；同時(shí)，意味著L1中的壓力損失在所有支管中最小。而爆炸初始階段火焰波的加速梯度較小，L1中較小的壓力損失帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)化對(duì)火焰波自加速機(jī)制的促進(jìn)作用較小，導(dǎo)致L1中的火焰波速率峰值在所有支管中最小。

3 結(jié)論

在自主設(shè)計(jì)搭建的角聯(lián)管網(wǎng)中研究了瓦斯爆炸沖擊波、火焰波的傳播特性，得到以下主要結(jié)論:

1)在角聯(lián)管網(wǎng)中，瓦斯爆炸出現(xiàn)了多次的超壓反復(fù)增減變化，沖擊波的正向傳播和在管網(wǎng)所有互連管道中的反向傳播疊加在一起，導(dǎo)致沖擊波的傳播呈現(xiàn)復(fù)雜無(wú)序狀態(tài)。

2)各測(cè)點(diǎn)爆炸威力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?測(cè)點(diǎn)1＃、測(cè)點(diǎn)2＃、測(cè)點(diǎn)8＃、測(cè)點(diǎn)9＃、測(cè)點(diǎn)6＃、測(cè)點(diǎn)10＃、測(cè)點(diǎn)3＃、測(cè)點(diǎn)5＃、測(cè)點(diǎn)4＃、測(cè)點(diǎn)7＃。沖擊波在不同的管道結(jié)構(gòu)傳播時(shí)，流經(jīng)45°分岔管道中爆炸威力最大。沖擊波在斜角聯(lián)支管中的壓力損失較并聯(lián)支管壓力損失更大，超壓爆炸威力下降幅度更大。

3)各支管中，斜角聯(lián)支管中的火焰波傳播速率最快，底部直管中的火焰波傳播速率最慢。壓力損失更大的支管中的火焰波加速梯度更大，火焰波傳播速率更高，而壓力損失較小支管中的火焰波加速梯度更小，火焰波速率更低。

綜上，瓦斯爆炸沖擊波、火焰波傳播過(guò)程中的傳播特性明顯受到管網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)的影響。在實(shí)際煤礦生產(chǎn)活動(dòng)中存在類似的角聯(lián)結(jié)構(gòu)巷網(wǎng)。因此，在角聯(lián)管網(wǎng)中研究瓦斯爆炸沖擊波、火焰波傳播過(guò)程中的特性對(duì)掌握瓦斯爆炸災(zāi)害的傳播規(guī)律具有一定的借鑒意義。在此研究基礎(chǔ)上可為瓦斯爆炸災(zāi)后應(yīng)急救援方案的擬定和實(shí)施提供理論指導(dǎo)。