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高科，賈進(jìn)章，劉永紅

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105；

 2．礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧葫蘆島125105）

摘要：在煤礦安全事故中，破壞程度最嚴(yán)重的事故之一就是瓦斯爆炸，而瓦斯爆炸沖擊波及火焰鋒面可能會(huì)二次點(diǎn)爆其他位置積聚瓦斯，加速火焰鋒面及沖擊波傳播，并能產(chǎn)生更高的超壓，造成更大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。借助詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理CRI Mech 3.0，基于開源化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件Cantera，研究沖擊波強(qiáng)度、瓦斯體積分?jǐn)?shù)和沖擊波及高溫耦合條件下對(duì)瓦斯爆炸特性的影響。結(jié)果顯示，沖擊波誘導(dǎo)瓦斯爆炸中，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增大而出現(xiàn)增大現(xiàn)象，隨沖擊波強(qiáng)度的增大而降低；同時(shí)分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物質(zhì)的濃度隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)、沖擊波強(qiáng)度和沖擊波及高溫耦合條件下的變化情況。

關(guān)鍵詞：沖擊波；高溫；瓦斯爆炸；Cantera

0  引言

  爆炸沖擊波和火焰是巷道內(nèi)瓦斯爆炸的基本特征，瓦斯爆炸后沖擊波陣面和火焰陣面向另一端傳播，前驅(qū)沖擊波陣面明顯快于火焰陣面，即造成兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)。沖擊波表現(xiàn)為一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的高溫、高壓及高密度的曲面，沖擊波壓縮改變了預(yù)混氣體的熱力學(xué)狀態(tài)，誘導(dǎo)瓦斯的爆炸，炸藥爆炸沖擊波能引爆3 %~200/0甲烷氣體，瓦斯引爆時(shí)間縮短，并且由沖擊波引起爆炸后的數(shù)據(jù)變化比燃燒引起爆炸后的有關(guān)數(shù)據(jù)要大，而火焰為瓦斯與空氣劇烈反應(yīng)釋放的光和熱量，高溫火焰能量對(duì)瓦斯爆炸特性產(chǎn)生非常大的影響，火焰誘導(dǎo)瓦斯爆炸機(jī)理相對(duì)較為成熟，集中于點(diǎn)火方式、點(diǎn)火能點(diǎn)爆瓦斯理論與實(shí)驗(yàn)研究上。沖擊波與火焰高溫都具有點(diǎn)爆瓦斯的能力，而前驅(qū)沖擊波及火焰即使獨(dú)自無(wú)法點(diǎn)爆瓦斯，前驅(qū)沖擊波過(guò)后，預(yù)混瓦斯／空氣被壓縮，壓力、溫度會(huì)突然升高，火焰到達(dá)后也有點(diǎn)爆瓦斯的可能。歷來(lái)都是以火焰或熱粒子作為點(diǎn)爆瓦斯的主要因素，而從未將瓦斯爆炸沖擊波置于點(diǎn)爆瓦斯或?qū)�點(diǎn)爆瓦斯起促進(jìn)作用的位置上。鑒于此，基于詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理CRI Mech 3.0，采用開源化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件Cantera研究沖擊波強(qiáng)度、瓦斯體積分?jǐn)?shù)和沖擊波及高溫耦合條件下對(duì)瓦斯爆炸的特性影響。

1  數(shù)值模型

基于詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理GRI Mech 3．O，采用開源化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件Cantera對(duì)沖擊波或沖擊波及高溫耦合誘導(dǎo)瓦斯爆炸的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。物理模型采用激波管，將激波管分為兩部分，左側(cè)部分為氬氣高壓區(qū)域，右側(cè)為瓦斯／空氣混合氣低壓區(qū)域，在兩部分之間添加一個(gè)隔膜，當(dāng)隔膜破裂后，左側(cè)高壓區(qū)域向右側(cè)傳播，并引起右側(cè)瓦斯／空氣混合氣體溫度和壓力升高，當(dāng)達(dá)到最小點(diǎn)火能時(shí)，點(diǎn)爆右側(cè)瓦斯／空氣混合氣。物理模型如圖1所示。

2  沖擊波誘導(dǎo)瓦斯爆炸規(guī)律研究

首先研究瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10. 35%，瓦斯／空氣混合物低壓區(qū)域的壓力為latm，初始溫度為500 K，氬氣高壓區(qū)域的壓力為8 MPa，初始溫度為1 000 K，當(dāng)隔膜破裂后，瓦斯／空氣混合物壓力和溫度受沖擊波影響逐漸上升，在6 ms后開始出現(xiàn)一個(gè)“平臺(tái)”（如圖2），這一平臺(tái)持續(xù)時(shí)間7 ms左右，從壓力圖（圖2b）可以看出，“平臺(tái)”是因?yàn)閮蓚?cè)壓力平衡，而后瓦斯在平衡壓力和高溫的影響下，經(jīng)過(guò)一定的感應(yīng)期，顯示了壓力的急劇上升，證明瓦斯發(fā)生了爆炸。

采用同樣的方法模擬不同的瓦斯體積分?jǐn)?shù)情況下瓦斯點(diǎn)爆特性（如圖3、4）。在氬氣高壓區(qū)域在初始溫度1 000 K和壓力為8 MPa條件下，瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于4%時(shí)，不會(huì)被點(diǎn)爆，而點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增大而出現(xiàn)增大現(xiàn)象（如圖4）。在瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于9. 5%時(shí)，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)增大，而瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于9.5 %時(shí)，產(chǎn)生的二氧化碳開始下降。瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，一氧化碳一直處于一個(gè)比較低的狀態(tài)，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)驟然增大。在瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)一氧化氮未產(chǎn)生，5%一12%時(shí)，一氧化氮體積分?jǐn)?shù)先增大后減少至零(如圖4)。

為研究沖擊波強(qiáng)度對(duì)瓦斯點(diǎn)爆的特性研究，設(shè)置氬氣高壓區(qū)域沖擊波強(qiáng)度為5、6、7、8、10 MPa，由圖6可以看出，瓦斯／空氣混合氣的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨沖擊波強(qiáng)度的增大而降低，呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，二氧化碳隨沖擊波強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)降低，一氧化碳沒有規(guī)律性，而一氧化氮呈非線性增大(如圖7)。

3沖擊波及高溫耦合點(diǎn)爆瓦斯規(guī)律

  在沖擊波點(diǎn)爆瓦斯的數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上，已確定沖擊波對(duì)不同濃度瓦斯的影響，可進(jìn)行沖擊波及高溫火焰耦合誘導(dǎo)瓦斯爆炸規(guī)律研究。

  設(shè)置沖擊波強(qiáng)度不變，即氬氣高壓區(qū)域的初始?jí)毫��? MPa，初始溫度為1 000 K。改變右側(cè)瓦斯／空氣混合氣體的初始溫度。研究瓦斯在沖擊波及高溫耦合作用下的點(diǎn)爆特性。由圖8可以看出，在沖擊波及高溫耦合條件下的點(diǎn)火延遲時(shí)間出現(xiàn)負(fù)指數(shù)變化趨勢(shì)，而明顯低于僅有高溫點(diǎn)火條件的點(diǎn)火延遲時(shí)間。對(duì)于二氧化碳隨著初始溫度的升高，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，而一氧化氮和一氧化碳卻表現(xiàn)相反（如圖9）。

4  結(jié)論

 1)在氬氣高壓區(qū)域在初始溫度1 000 K和壓力為8MPa條件下，瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于4%時(shí)，不會(huì)被點(diǎn)爆，而點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增大而出現(xiàn)增大現(xiàn)象。分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物質(zhì)的濃度隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

 2)瓦斯／空氣混合氣的點(diǎn)火延遲時(shí)間與沖擊波強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，二氧化碳隨沖擊波強(qiáng)度增大而降低，一氧化碳沒有規(guī)律性，而一氧化氮呈非線性增大。

 3)在沖擊波及高溫耦合條件下的點(diǎn)火延遲時(shí)間出現(xiàn)負(fù)指數(shù)變化趨勢(shì)，而明顯低于僅有高溫點(diǎn)火條件的點(diǎn)火延遲時(shí)間。對(duì)于二氧化碳隨著初始溫度的升高，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，而一氧化氮和一氧化碳卻表現(xiàn)相反。