常新明，張紅軍，魏垂勝，劉永志，王發(fā)輝

（1.河南龍宇能源股份有限公司，河南 永城 476600；2.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，瓦斯突出礦井約占煤炭總礦井的一半。瓦斯是煤礦安全的最大威脅，全國(guó)煤礦重大安全事故70%以上都與瓦斯爆炸有關(guān)。同時(shí)，瓦斯是儲(chǔ)存于煤層中的非常規(guī)天然氣，是常規(guī)天然氣最現(xiàn)實(shí)可靠的補(bǔ)充或替代能源［1］。長(zhǎng)期能源短缺導(dǎo)致的能源價(jià)格上漲是中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的一個(gè)短板，所以所有可以利用的能源都是寶貴的。但是，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)煤層氣利用率僅為23%，這意味著大多數(shù)煤礦瓦斯都排入到了空氣中，不但造成極大的能源浪費(fèi)，而且瓦斯中的甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)也僅次于二氧化碳［2］。因此，將本來(lái)排空的煤礦瓦斯變?yōu)榍鍧嵞茉?，做到“變廢為寶”，可以彌補(bǔ)我國(guó)現(xiàn)階段的能源短缺問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)有煤礦生產(chǎn)中抽采的瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于30%的占70%以上，其中相當(dāng)一部分瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于16%［3-4］，這種體積分?jǐn)?shù)的瓦斯在開(kāi)采、運(yùn)輸和利用過(guò)程中存在極大的安全隱患，主要原因是5%～16%體積分?jǐn)?shù)的瓦斯易燃易爆，甚至輸運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的靜電、粉塵摩擦都可能導(dǎo)致瓦斯管道發(fā)生爆炸［5］。目前，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，保證低體積分?jǐn)?shù)瓦斯安全輸運(yùn)的技術(shù)主要有：管道內(nèi)噴粉抑爆［6］、添加細(xì)水霧抑爆［7］、惰性氣體抑爆［8］等。其中細(xì)水霧抑爆與其他抑爆技術(shù)相比，具有清潔、環(huán)保和成本低等優(yōu)點(diǎn)，且細(xì)水霧添加也容易實(shí)現(xiàn)，因此，開(kāi)展細(xì)水霧抑制管道內(nèi)瓦斯爆炸的機(jī)理研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦低體積分?jǐn)?shù)瓦斯的高效利用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［9］。

對(duì)于細(xì)水霧抑制管內(nèi)瓦斯爆炸的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，取得了一定成果。余明高等［10-13］、溫小萍等［14］、王發(fā)輝等［15］通過(guò)將細(xì)水霧與惰性氣體、多孔介質(zhì)等結(jié)合的方法探究綜合作用下細(xì)水霧對(duì)甲烷燃燒的影響，結(jié)果表明都能對(duì)瓦斯爆炸起到一定的抑制作用；A.Yoshida等［16］、W.Ebina等［17］通過(guò)試驗(yàn)和模擬方法，研究了水霧對(duì)管道內(nèi)甲烷燃燒的抑制作用，發(fā)現(xiàn)由于水霧的存在，甲烷燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的H，O，OH自由基數(shù)量減少，從而導(dǎo)致火焰反應(yīng)速率下降；T.Parra等［18］通過(guò)試驗(yàn)研究了細(xì)水霧與預(yù)混火焰在受限空間內(nèi)的相互作用機(jī)理，認(rèn)為細(xì)水霧對(duì)于火焰的抑制作用主要來(lái)自于水蒸氣對(duì)于氧氣的稀釋；K.Van W ingerden等［19-20］認(rèn)為細(xì)水霧對(duì)火焰的影響與其粒徑有關(guān)，大粒徑水霧會(huì)增加燃燒的湍流效應(yīng)，從而促進(jìn)火焰爆炸。多數(shù)研究是通過(guò)改變水霧，分析不同條件下的水霧抑爆效果，并分析各因素對(duì)抑爆效果的影響規(guī)律。但從目前研究成果可以看出，大多還是從宏觀層面探究細(xì)水霧參數(shù)變化對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸壓力等宏觀參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析，而針對(duì)細(xì)水霧和爆炸火焰之間的耦合作用的微觀機(jī)理，比如反應(yīng)速率、細(xì)水霧蒸發(fā)特性等還鮮有研究，這難以全面揭示細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的作用機(jī)理，需要進(jìn)一步明確細(xì)水霧-爆炸火焰-湍流之間的耦合作用。因此全面分析細(xì)水霧對(duì)瓦斯抑爆特性的影響規(guī)律是細(xì)水霧抑爆技術(shù)應(yīng)用目前亟待解決的問(wèn)題。

本文通過(guò)搭建的半開(kāi)放試驗(yàn)管道研究細(xì)水霧粒徑對(duì)管道瓦斯爆炸抑制特性的影響規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值模擬方法研究細(xì)水霧作用下火焰內(nèi)部溫度場(chǎng)和燃燒反應(yīng)速率的變化規(guī)律，更深層次地探究細(xì)水霧抑制管道瓦斯爆炸的作用機(jī)理，以期為細(xì)水霧抑爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為研究細(xì)水霧粒徑對(duì)瓦斯爆炸影響的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置主要由3部分組成：第一部分是由有機(jī)玻璃管、水霧噴嘴和點(diǎn)火裝置組成的試驗(yàn)管道，尺寸為150 mm×150 mm×1 700 mm，右側(cè)采用不銹鋼板進(jìn)行封閉，鋼板中心安裝脈沖點(diǎn)火頭，左側(cè)泄爆口采用PVC薄膜密封，管道頂部距離管道封閉段850 mm處安裝霧化噴頭，可產(chǎn)生平均粒徑5μm和45μm的細(xì)水霧；第二部分是由甲烷高壓氣瓶、空氣壓縮機(jī)和質(zhì)量流量計(jì)組成的配氣系統(tǒng)，可以配置不同體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)氣體；第三部是由高速攝像機(jī)、壓力傳感器、光電傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等組成的圖像數(shù)據(jù)采集裝置，其中高速攝像機(jī)與管道垂直放置，用于捕獲火焰?zhèn)鞑D像，壓力傳感器用于檢測(cè)火焰爆炸過(guò)程中的壓力，通過(guò)光電傳感器控制攝像機(jī)與壓力傳感器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

1.1.2 試驗(yàn)方法

（1）根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量計(jì)，按圖1連接好試驗(yàn)管路，在管道開(kāi)口端加裝PVC薄膜，調(diào)整點(diǎn)火設(shè)備，使其處于待激發(fā)狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

（2）打開(kāi)空氣壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)和甲烷高壓氣瓶開(kāi)關(guān)，向試驗(yàn)管道內(nèi)充入5倍管道體積的甲烷／空氣混合氣體，確保試驗(yàn)管道內(nèi)的空氣完全排出，且混合氣體在管道內(nèi)分布均勻。

（3）充氣20 min后，進(jìn)行噴霧，噴霧時(shí)間根據(jù)細(xì)水霧粒徑和質(zhì)量體積進(jìn)行確定，噴霧結(jié)束后立即關(guān)閉進(jìn)出口閥門，激發(fā)點(diǎn)火頭，引燃?xì)怏w。

（4）光電傳感器控制高速攝影機(jī)和壓力傳感器開(kāi)始工作，進(jìn)行同步圖像和壓力數(shù)據(jù)采集。

1.2 結(jié)果與分析

1.2.1 細(xì)水霧粒徑對(duì)瓦斯管內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

試驗(yàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9.5%，水霧質(zhì)量體積為646 g／m3，圖2分別為無(wú)水霧、5μm粒徑細(xì)水霧和45μm粒徑細(xì)水霧下的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。

圖2 不同細(xì)水霧粒徑火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程圖Fig.2 Flame propagation process diagram under different water mist particle sizes

由圖2可知，在點(diǎn)火初期，火焰從點(diǎn)火點(diǎn)向外擴(kuò)散，形成半球形火焰，火焰?zhèn)冗吔佑|壁面后，火焰前鋒逐漸形成“手指”狀結(jié)構(gòu)。不同粒徑細(xì)水霧下，火焰的顏色差別較大，無(wú)水霧時(shí)火焰呈淡藍(lán)色，添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)火焰呈暗紅色，添加45μm粒徑細(xì)水霧時(shí)火焰呈亮黃色。根據(jù)火焰顏色可以定性判斷：當(dāng)在管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，火焰溫度最低，添加粒徑45μm細(xì)水霧時(shí)火焰溫度最高。這說(shuō)明當(dāng)爆炸管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，爆炸受到抑制，但當(dāng)添加45μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，爆炸強(qiáng)度不但沒(méi)有減弱，反而增強(qiáng)。由圖2還可以看出，當(dāng)管道內(nèi)未添加細(xì)水霧時(shí)，火焰?zhèn)鞯焦艿莱隹谛枰?09 ms，當(dāng)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，其管內(nèi)傳播時(shí)間為214 ms，而當(dāng)添加45μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，火焰?zhèn)鞯匠隹趦H需要106 ms。以上數(shù)據(jù)表明，當(dāng)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加約1倍，此時(shí)細(xì)水霧對(duì)瓦斯火焰的燃燒具有很好的抑制作用，但細(xì)水霧粒徑增大到45μm 時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣确炊涌?，說(shuō)明細(xì)水霧對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸的強(qiáng)度起到了促進(jìn)作用。本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了不同粒徑條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x變化的速度曲線，如圖3所示。

圖3 不同粒徑條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S傳播距離變化曲線Fig.3 Flame propagation velocity curves under different watermist particle sizes

由圖3可以看出，未添加細(xì)水霧時(shí)，在距點(diǎn)火點(diǎn)約1 000 mm處爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值，為31.5 m／s；添加5μm粒徑細(xì)水霧后，火焰在距點(diǎn)火點(diǎn)約1 200 mm處達(dá)到火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾?，?5.2 m／s，相比未添加細(xì)水霧時(shí)，最大傳播速度降低了50%；當(dāng)進(jìn)一步增大細(xì)水霧粒徑至45μm時(shí)，火焰在管道內(nèi)的整個(gè)傳播過(guò)程中都處于加速狀態(tài)，出口處火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值，為45.8 m／s。圖2～3都表明：與無(wú)水霧存在的管內(nèi)瓦斯爆炸相比，當(dāng)在瓦斯管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度降低；添加45μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度提高。

1.2.2 細(xì)水霧粒徑對(duì)瓦斯管內(nèi)爆炸壓力的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水霧粒徑對(duì)于管內(nèi)瓦斯爆炸過(guò)程的影響，圖4繪出了不同粒徑細(xì)水霧條件下瓦斯爆炸時(shí)爆炸壓力隨時(shí)間振蕩曲線。

圖4 不同粒徑細(xì)水霧條件下火焰爆炸壓力隨時(shí)間振蕩曲線Fig.4 Pressure oscillation curves of flame propagation under different watermist particle sizes

由圖4可以看出，無(wú)水霧時(shí)，瓦斯爆炸的最大壓力為7.39×103Pa，添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，最大壓力僅為3.47×103Pa，最大壓力降低了53%；當(dāng)增大細(xì)水霧粒徑時(shí)，爆炸產(chǎn)生的最大壓力值達(dá)到了9.74×103Pa，相比于無(wú)水霧時(shí)，增加了55.2%。爆炸壓力的變化規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證了5μm粒徑細(xì)水霧對(duì)于瓦斯爆炸具有很好的抑制作用，45μm粒徑細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸具有一定的促進(jìn)作用。

綜合以上分析，無(wú)論火焰圖像、火焰?zhèn)鞑ニ俣冗€是爆炸壓力方面，都說(shuō)明與無(wú)水霧時(shí)管內(nèi)瓦斯爆炸相比，當(dāng)在瓦斯管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度降低；添加45μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度提高。其主要原因是5μm粒徑細(xì)水霧比表面積較大，此時(shí)細(xì)水霧與火焰內(nèi)部換熱劇烈，細(xì)水霧快速蒸發(fā)，細(xì)水霧能夠在火焰作用下完全汽化，吸收大量熱量，降低燃燒反應(yīng)速率，從而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?；另一方面，由于汽化產(chǎn)生大量的水蒸氣，稀釋了可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)，抑制了燃燒反應(yīng)中自由基的生成，從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫档汀Ｏ喾?，?dāng)細(xì)水霧粒徑為45μm時(shí)，其比表面積僅為5μm粒徑細(xì)水霧的1／9，此時(shí)火焰與細(xì)水霧的接觸面積減小，燃燒結(jié)束時(shí)細(xì)水霧可能未完全蒸發(fā)，從而導(dǎo)致湍流產(chǎn)生，湍流脈動(dòng)使火焰變形，這種變形作用使火焰表面積增加，從而造成高溫氣流與未燃?xì)怏w能夠快速混合，化學(xué)反應(yīng)速率迅速增大，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蠛捅▔毫ι仙?/p>

2 數(shù)值模擬

由于瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，整個(gè)爆炸過(guò)程時(shí)間為毫秒量級(jí)，試驗(yàn)研究中，對(duì)火焰溫度的測(cè)試存在一定困難，而且爆炸過(guò)程中其化學(xué)反應(yīng)速率難以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，而這些參數(shù)對(duì)深層次探究細(xì)水霧抑制管內(nèi)瓦斯爆炸作用機(jī)理非常重要。因此，本文基于FLUENT軟件，對(duì)不同細(xì)水霧粒徑條件下火焰溫度和燃燒反應(yīng)速率進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以更好地對(duì)細(xì)水霧和爆炸火焰之間的作用機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算模型和模型驗(yàn)證

本文采用的燃燒計(jì)算模型為渦擴(kuò)散概念模型，細(xì)水霧運(yùn)動(dòng)采用DPM 模型進(jìn)行計(jì)算，且在計(jì)算過(guò)程中考慮細(xì)水霧的蒸發(fā)。采用試驗(yàn)和模擬方法研究細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸的影響時(shí)，為了驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，設(shè)置瓦斯體積分?jǐn)?shù)9.5%，細(xì)水霧粒徑5μm，細(xì)水霧質(zhì)量體積117.6 g／m3，將試驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，在相同工況下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠很好地反映真實(shí)的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，火焰結(jié)構(gòu)演變都是從點(diǎn)火初期的球狀火焰逐漸發(fā)展成為“手指”狀火焰，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)相同。同時(shí)，從火焰?zhèn)鞑ブ凉艿莱隹跁r(shí)所用時(shí)間看，試驗(yàn)結(jié)果為90 ms，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為87 ms，兩者相差3 ms，誤差僅為3.3%；有細(xì)水霧時(shí)，試驗(yàn)和模擬管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r(shí)間分別為124 ms和133 ms，兩者相差僅9 ms，誤差僅7.2%。誤差產(chǎn)生的主要原因是試驗(yàn)過(guò)程中火焰會(huì)通過(guò)壁面散熱，而數(shù)值計(jì)算將壁面設(shè)定為絕熱壁面，另外，壁面的冷壁效應(yīng)會(huì)造成管內(nèi)有效水霧質(zhì)量體積降低，這些因素都會(huì)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?，造成兩者?jì)算結(jié)果不同，但模擬和試驗(yàn)結(jié)果顯示誤差都在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為本文數(shù)值計(jì)算模型是可靠的，能夠很好地再現(xiàn)管道內(nèi)瓦斯爆炸過(guò)程。

圖5 有無(wú)水霧模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Results comparisons between simulation and experimentwith or withoutwatermist

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 細(xì)水霧條件下燃燒火焰內(nèi)部溫度場(chǎng)分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了不同細(xì)水霧條件下火焰內(nèi)部溫度場(chǎng)，圖6給出了火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50，750 mm位置處無(wú)水霧和添加5μm粒徑細(xì)水霧2種工況下的中心軸線處溫度變化曲線。

圖6 有無(wú)細(xì)水霧條件下不同火焰鋒面處火焰溫度隨傳播距離變化曲線Fig.6 Flame temperature curves of different flame fronts with or without watermist

由圖6可以看出，無(wú)細(xì)水霧條件下，火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm處時(shí)，火焰內(nèi)部溫度約2 300 K，在火焰鋒面處溫度快速下降到環(huán)境溫度300 K；當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm處時(shí)，由于燃燒時(shí)間短，與低溫壁面換熱少，火焰內(nèi)部溫度變化不大，這說(shuō)明在無(wú)細(xì)水霧條件下，火焰內(nèi)部溫度基本不隨火焰?zhèn)鞑ザl(fā)生變化。在管道內(nèi)部添加細(xì)水霧后，當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm處時(shí)，可以觀察到火焰內(nèi)部溫度有明顯下降，約為2 100 K，而火焰鋒面處的溫度下降趨勢(shì)與無(wú)水霧時(shí)基本一致，當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm時(shí)，可以觀察到火焰內(nèi)部溫度降低到約1 970 K，這是因?yàn)榧?xì)水霧蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致火焰溫度降低，而細(xì)水霧蒸發(fā)是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，蒸發(fā)吸熱降低火焰內(nèi)部溫度也是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，同時(shí)由于火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，火焰與細(xì)水霧之間換熱較為充分，導(dǎo)致在很短的傳播時(shí)間內(nèi)，火焰內(nèi)部溫度明顯下降。

2.2.2 細(xì)水霧條件下燃燒反應(yīng)速率分析

上文分析了細(xì)水霧對(duì)燃燒火焰溫度的影響，但化學(xué)反應(yīng)速率同樣是影響瓦斯爆炸強(qiáng)度的主要因素之一，為此，本文通過(guò)數(shù)值模擬得到無(wú)細(xì)水霧和5μm粒徑細(xì)水霧2種工況下燃燒反應(yīng)中生成水的速率隨傳播距離變化曲線，如圖7所示。

圖7 有無(wú)細(xì)水霧條件下燃燒反應(yīng)生成水的速率隨傳播距離變化曲線Fig.7 Rate of water generated by combustion reaction with or without water mist

由圖7可以看出，在無(wú)細(xì)水霧條件下，不同時(shí)間點(diǎn)燃燒反應(yīng)生成水的速率基本一致，火焰處于一個(gè)均勻的燃燒過(guò)程，燃燒反應(yīng)生成水的速率約180 kg／s。在管道內(nèi)加入5μm粒徑細(xì)水霧后，反應(yīng)速率比未加細(xì)水霧時(shí)明顯降低，且降低幅度隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸變大，當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?00 mm處時(shí)，燃燒反應(yīng)速率只有無(wú)水霧時(shí)的50%。

化學(xué)反應(yīng)速率可根據(jù)反應(yīng)物的濃度和溫度系數(shù)表示為

式中：［A］和［BC］分別為反應(yīng)物的濃度；k′（T）為正比于溫度的系數(shù)，可表示為

結(jié)合式（1）和（2），爆炸過(guò)程中細(xì)水霧蒸發(fā)產(chǎn)生大量水蒸氣，降低了反應(yīng)物濃度，同時(shí)由于水是燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物，會(huì)導(dǎo)致燃燒反應(yīng)逆向進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。同時(shí)，水霧在蒸發(fā)過(guò)程中吸收大量的熱量，溫度系數(shù)k′（T）降低，同樣會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。從反應(yīng)速率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和理論分析可知，管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時(shí)，細(xì)水霧抑制作用的存在使燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度降低，從而造成熱擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)速率都有一定程度減小，使瓦斯爆炸火焰的傳播速度降低，爆炸強(qiáng)度受到一定程度抑制。

3 細(xì)水霧條件下促爆機(jī)理分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，5μm粒徑細(xì)水霧對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸具有很好的抑制作用，而45μm粒徑細(xì)水霧對(duì)管內(nèi)瓦斯的爆炸不但沒(méi)有抑制作用，反而起到促進(jìn)作用。為了進(jìn)一步探究細(xì)水霧促爆機(jī)理，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法研究160μm粒徑細(xì)水霧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫Ψ謩e隨傳播距離和時(shí)間的變化，如圖8所示。

圖8 大粒徑細(xì)水霧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫Ψ謩e隨傳播距離和時(shí)間的變化曲線Fig.8 Flame propagation velocity curves and explosion pressure curves under different large particle size of water mist

由圖8（a）數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，管道內(nèi)添加160μm粒徑細(xì)水霧后，管道內(nèi)火焰最大傳播速度從38.2 m／s上升到62.1 m／s，最大傳播速度增加了約63%，這種情況也發(fā)生在壓力變化過(guò)程中，如圖8（b）所示，添加160μm粒徑細(xì)水霧后，爆炸的最大超壓值由1.313×104Pa增到2.492×104Pa，最大超壓值相比于無(wú)水霧條件增加了約90%?？梢哉J(rèn)為較大粒徑的細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸具有明顯的促進(jìn)作用，其主要原因有：首先，粒徑較大的細(xì)水霧其比表面積較小，在爆炸過(guò)程中與火焰之間的傳熱速率較低；其次，由于爆炸時(shí)間極短，管道內(nèi)細(xì)水霧無(wú)法完全蒸發(fā)，對(duì)于傳播的火焰而言，細(xì)水霧相當(dāng)于障礙物，其存在使管道內(nèi)氣體流動(dòng)的湍流強(qiáng)度增加，使燃燒區(qū)反應(yīng)速率增大，當(dāng)細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱的量不足以抵消細(xì)水霧帶來(lái)的湍流增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)，細(xì)水霧的存在就會(huì)促進(jìn)瓦斯爆炸。

細(xì)水霧在火焰內(nèi)部的蒸發(fā)過(guò)程伴隨著粒徑變化，粒徑的變化規(guī)律可表示為

式中：d為細(xì)水霧瞬時(shí)直徑；d0為細(xì)水霧初始直徑；t為細(xì)水霧蒸發(fā)時(shí)間；k為細(xì)水霧蒸發(fā)常數(shù)；λ和cp分別為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；ρL為細(xì)水霧密度；L為液體的汽化潛熱；Tf和Ts分別為火焰表面和細(xì)水霧表面溫度。

由式（3）可以看出，如果細(xì)水霧完全蒸發(fā)，則細(xì)水霧蒸發(fā)時(shí)間與初始粒徑的平方成正比。結(jié)合式（3）和（4）可計(jì)算出本文試驗(yàn)中的顆粒蒸發(fā)時(shí)間，如表1所示。

表1 不同粒徑細(xì)水霧的蒸發(fā)時(shí)間Tab.1 Evaporation time of watermistwith different particle size

無(wú)細(xì)水霧時(shí)，火焰最大傳播速度為38.5 m／s，此時(shí)層流火焰前鋒面厚約5 mm，顆粒穿過(guò)火焰前鋒面的時(shí)間僅需0.13 ms，在該時(shí)間內(nèi)如果細(xì)水霧無(wú)法蒸發(fā)就會(huì)對(duì)火焰?zhèn)鞑ピ斐勺璧K作用。本文的試驗(yàn)和模擬結(jié)果都很好地印證了上述結(jié)論：當(dāng)粒徑為5μm時(shí)，細(xì)水霧能夠在火焰鋒面完全蒸發(fā)，能夠有效抑制瓦斯爆炸；當(dāng)細(xì)水霧粒徑為45μm和160μm時(shí)，細(xì)水霧無(wú)法在火焰鋒面完全蒸發(fā)，此時(shí)細(xì)水霧會(huì)增強(qiáng)火焰的湍流效應(yīng)，促進(jìn)火焰燃燒，對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸起到一定的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

（1）5μm粒徑細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸具有很好的抑制作用，能夠有效降低爆炸時(shí)火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥畲蟪瑝褐?，?5μm和160μm粒徑細(xì)水霧對(duì)管道內(nèi)瓦斯爆炸能夠起到一定的促進(jìn)作用。

（2）小粒徑細(xì)水霧對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸的抑制作用主要是因?yàn)榧?xì)水霧蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致火焰溫度降低，并且燃燒過(guò)程中火焰內(nèi)部溫度持續(xù)下降；同時(shí)蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣能夠稀釋可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)，而水蒸氣作為燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致燃燒反應(yīng)逆向進(jìn)行，其綜合作用能夠降低燃燒反應(yīng)速率，從而起到抑制瓦斯爆炸的作用。

（3）大粒徑細(xì)水霧對(duì)火焰燃燒有兩方面的作用：首先細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱會(huì)抑制火焰的傳播；其次大粒徑細(xì)水霧在火焰中無(wú)法完全汽化，就會(huì)在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中形成障礙物，增大火焰的湍流效應(yīng)，反而促進(jìn)火焰燃燒，當(dāng)促進(jìn)作用大于抑制作用時(shí)，燃燒反應(yīng)速率加快，使爆炸強(qiáng)度增強(qiáng)。