侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响.pdf

第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式：贾进章，朱致術，陈怡诺.侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响J.安全与环境工程,2023,30(3):69-77,89.Jia J Z,Zh u Z H,Ch en Y N.Inf luenc e o f la t era l v ent a nd o bs t a c le s h a pe o n met h a ne explo s io n in pipelines EJ.Safety and Environmental Engineering,2023,30(3)：69-77,89.侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响贾进章,朱致严,陈恰诺1,2(1.辽宁工程技术大学安全科学与工程研究院，辽宁阜新123000；2.辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁葫芦岛125105)摘要：瓦斯爆炸是我国煤矿开采的长期安全问题，为研究不同形状障碍物对侧向泄爆口泄爆效果的影响，采用 数值模拟的方法，利用Fluent软件分析小尺寸管道中各测点的超压和火焰传播速度变化曲线以及火焰传播温度和 速度矢量在各个时间段的云图，研究不同形状障碍物和侧向泄爆口耦合作用下管道内瓦斯爆炸后超压变化和火焰 传播特性变化规律。结果表明：在矩形障碍物和梯形障碍物的管道中，侧向泄爆口的存在会影响湍流火焰,使障碍 物后方旋转的火焰由于内外压差被侧向泄爆口排出；而对于圆形障碍物，由于其弧形表面和侧向泄爆口的存在，使 通过障碍物下方的火焰沿着障碍物壁面流向侧向泄爆口，对火焰传播速度的影响较小；火焰通过管道左端泄爆口 的时间表现为无障碍物圆形障碍物梯形障碍物矩形障碍物。关键词：瓦斯爆炸;侧向泄爆口；障碍物形状;超压;Fluent中图分类号：X932；TD712+.7 文章编号：1671-1556(2023)03-0069-09 收稿日期：2022-05-09DOI；10.13578/ki.issn.1671-1556.20220600 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Influence o f Lateral Vent and Obstacle Sh ape o n Meth ane Explo sio n in PipelinesJIA Jinzh a ng12,ZHU Zh ih eng12*,CHEN Yinuo12（1.Co lleg e o f Saf e ty Sc ie nc e and Eng ineering,L iao ning Tec h nic al University Fuxin 123000；2.Ke y labo rato ry o f Mine Po se r Disaste r and Prev entio n o f Ministry o f Ed uc atio n,L iao ning Tec h nic al Univ ersity,Hulud ao 125105,Ch ina）Abst r ac t:Ga s explo s io n is a lo ng-t erm pro blem in t h e s a f e mining o f c o a l mines in Ch ina In o rder t o s t udy t h e inf luenc e o f o bs t a c le s wit h dif f erent s h a pes o n t h e explo s io n relief ef f e c t o f la t era l explo s io n v e nt,t h e o-v erpres s ure a nd v elo c it y c h a nge c urv es o f ea c h mea s uring po int in s ma ll-s ize pipelines a nd t h e c lo ud diagra m o f t empera t ure a t ea c h t ime a re a na lyzed by t h e numeric a l s imula t io n met h o d a nd Fluent s o f t wa re t o a na lyze t h e la w o f o v erpres s ure c h a nge a nd f la me pro pa ga t io n c h a ra c t e ris t ic s a f t er ga s explo s io n（under t h e c o upling a c t io n o f o bs t a c le s a nd la t era l v ent）.Th e res ult s s h o w t h a t in pipelines wit h rec t a ngula r o bs t a c les a nd t ra pezo ida l o bs t a c le s,t h e exis t enc e o f la t era l v ent will a f f ec t t h e t urbulent f la me，s o t h a t t h e ro t a t ing f la me beh ind t h e o bs t a c le s is dis c h a rged by t h e la t era l v ent due t o t h e int erna l a nd ext erna l pres s ure dif f erenc e；f o r c irc ula r o bs t a c les,due t o t h e exis t enc e o f a rc s urf a c e a nd la t era l v e nt，t h e f la me pa s s ing under t h e o bs t a c le s c a n f lo w t o t h e la t era l v ent a lo ng t h e wa ll o f t h e o bs t a c les,a nd t h e inf luenc e o f f la me pro pa ga t io n s peed is s ma ll；t h e t ime wh en t h e f la me pa s s es t h ro ugh t h e explo s io n v ent a t t h e lef t e nd：no o bs t a c lec ir-基金项目：国家自然科学基金项目（52174183）作者简介:贾进章（1974）,男，博士，教授，主要从事矿井通风与瓦斯防治方面的研究。E-mail：jia jinZh a ng163.c o m通讯作者：朱致術（1998）,男，硕士研究生，主要研究方向为瓦斯爆炸灾害防治。E-ma il：754758532qq.c o m70鉴仝与琢规工程 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷c ula r o bs t a c le t ra pezo ida l o bs t a c le re c t a ngula r o bs t a c le.Key wo r ds:ga s explo s io n；la t era l v ent；o bs t a c le；o v erpres s ure；Fluent瓦斯爆炸是煤矿井下最严重的事故之一，我国 煤炭行业一次死亡10人以上的特大事故和重大事 故中，有70%是瓦斯爆炸事故和粉尘爆炸事故，其 事故后果惨重，经常造成重大人员伤亡和巨额财产 损失，严重威胁着我国煤矿业的可持续发展幻。为 了减少瓦斯爆炸事故的发生和减轻瓦斯爆炸事故带 来的危害，对瓦斯爆炸机理和爆炸过程的研究一直 是热点。针对瓦斯爆炸的相关研究中，张迎新等研究 了惰性气体对瓦斯爆炸的抑制作用；乔征龙等基 于Ch a rle t t e模型研究了柔性障碍物对瓦斯爆炸的 影响，发现相比于刚性障碍物,柔性障碍物会降低瓦 斯爆炸产生的超压和瓦斯爆炸过程中火焰的传播速 度、火焰的表面积，改变火焰的结构，对瓦斯爆炸具 有抑制作用；徐阿猛等闪研究了障碍物对瓦斯爆炸 冲击波的影响，发现有障碍物存在时，瓦斯爆炸冲击 波压力会进一步增强，易造成更大的破坏;王磊等 研究了不同形状的障碍物对瓦斯爆炸火焰传播速度 的影响以及障碍物的反射压力特性;林柏泉等刀研 究了障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的影 响，发现随着障碍物数量的增加，瓦斯爆炸火焰传播 速度迅速提高，衰减速度变慢，波及范围扩大;Nguye n等使用二维CFD模型研究了障碍物和湍 流模型对甲烷火焰传播的影响，发现甲烷-空气混合 气体的火焰在圆形、六边形和正方形3种形状障碍 物的传播中，正方形是火焰传播最快的障碍物;万少 杰凹研究了侧向泄爆口位置和面积对管道内甲烷爆 炸特性的影响规律以及障碍物的位置和阻塞率对甲 烷爆炸火焰结构、传播速度、爆炸超压的具体影响规 律；Ale xio u等皿研究了侧向泄爆口位置对容器 中气体爆炸的影响，通过对比侧向泄爆和末端泄爆 的效果发现，当侧向泄爆口距离点火点最远时，泄爆 效果最差，而侧向泄爆口距离点火点最近时，泄爆效 果较好，且随着侧向泄爆口与点火点之间距离的增 大,火焰传播速度和湍流参数均增大;Oh等则研究 了障碍物对末端泄放爆炸的作用效果，发现障碍物 阻塞率是影响火焰传播和爆炸超压的重要参数，且 障碍物对泄放爆炸的影响作用要比对密封容器中爆 炸的影响更明显。以上研究主要是针对惰性气体、柔性和刚性障 碍物对瓦斯抑爆的影响以及障碍物对末端泄爆口泄 爆效果的影响，而针对障碍物对侧向泄爆口泄爆效 果影响的研究较少，由于井下管道的复杂性,存在各 种形状的障碍物。因此，本文以体积分数9.5%的 甲烷-空气混合气体为研究对象，研究障碍物形状的 改变对于侧向泄爆口泄爆效果的影响，并研究该工 况下瓦斯爆炸火焰传播特性，分析爆炸压力和火焰 传播速度的变化规律，以期为工业和井下设备的安 装和易燃气体的泄爆等提供参考。1瓦斯爆炸数值模拟1.1数学模型湍流能量大部分集中于大涡结构之中，湍流长 度尺寸I是其相关物理量，本研究在小尺寸管道中 进行，气体可作为理想气体看待,忽略重力爆炸特性 的影响作用，因此选用大涡模拟(la rge eddy s imulat io n,LES)保留较大尺度脉动，以满足精确求解需 求。基于低马赫数流动的N-S方程，遵循质量组 分守恒、动量守恒和能量守恒方程，其爆炸控制方程 计算公式如下：连续方程为字+驴=0(1)dt djCidt djCi式中：血表示：方向上的速度矢量；P为气体密度(k g/n?)；表示坐标系参量。动量方程为aput|ap(.dtdt 十 dxj dxidxj dxi(丿式中：P表示压力；可表示黏性应力张量。能量方程为a(ph),d puth _ d 八 3T、I/c、-r-)totdt djCi dXi dXtdt djCi dXi dXt式中表示焙M表示导热系数;3T表示化学反应 热。由于漩涡尺度小于管道直径，所以湍流长度尺 寸I受到模型的限制，当湍流强度VI%时，可以认 为其强度较低;而当湍流强度10%时，可以认为其 强度较高。在层流中，湍流强度可以用绕流物体的 几何特征粗略计算。湍流长度尺寸I与管道物理尺寸L的关系可 以表示为1=0.07L(4)式中M为湍流长度尺寸(m)；0.07为比例因子，是 充分发展管流中混合长的最大值；L为管道直径 第3期贾进章等：侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响71(in),当管道不是圆管时,可以代表水力直径。在 LES 模型中选择 Int ens it y a nd Hydra ulic Dia me t e r时，湍流动能K与湍流强度I的关系可表 示为：K=1.5X(z/a v gXI)2(5)式中旳啦为湍流平均速度(m/s)o长度尺寸I与湍流耗散率之间的关系可表示为=C眇 XI/(6)式中：C沁为湍流模型中的一个经验常数，其值约等 于 0.09 01.2物理模型侧向泄爆口和障碍物在管道中的示意图，如图 1所示。模拟中使用长度为1 000 mm的方形管道，管道截面为100 mmX 100 mm,由于在瓦斯爆炸过图1侧向泄爆口和障碍物在管道中示意图Fig.1 Schematic diag ram of lateral vent and obstaclesin.a pipeline程中会伴随着能量的产生，而火焰波的能量会在管 道传播过程中逐渐降低，因此爆炸超压主要位于距 离点火端不远处。随着泄爆口与点火源距离的增 大，瓦斯爆炸火焰传播会受到末端泄爆口的影响发 生畸变，并且泄爆口距离点火端越近，泄爆效果 越佳为了获得侧向泄爆口附近较明显的火焰传 播特性，选择在点火端附近开设侧向泄爆口，侧向泄 爆口 a中心距离管道右侧125 mm(工况a),侧向泄 爆口 a尺寸设置为80 mmX80 mm；改变侧向泄爆 口的位置，在距离管道右侧375 mm处设置侧向泄 爆口 b(工况b)。由于瓦斯爆炸过程中障碍物会极 大地加速火焰传播速度,产生更加强烈的湍流现象,为了防止经过侧向泄爆口的火焰传播速度过大而降 低泄爆效率，因此在侧向泄爆口 Q正下方分别设置 截面尺寸半径为30 mm的球体、截面尺寸为 60 mmX47.1 mm的长方体以及截面为上底23.4 mm、下底53.2 mm、高为60 mm的梯形障碍物，让 3种形状障碍物的触火面高度相同、面积基本一致 以控制阻塞率。在管道的中心分别布置球形、长方 形和梯形障碍物，使火焰传播能够在管道中均匀分 散，以获得影响最大的瓦斯爆炸特性图皿皈。图2 为管道的截面图，在距离点火端为85、165、245、325、405、485、645、805 mm 高度 50 mm 处分别设置 监测点 T1、T2、T3、T6、T9、T1O、T11、T12,在侧向 泄爆口 a中心位置向下10 mm和90 mm处设置监 测点T4、T5,在侧向泄爆口 b中心位置向下10 mm 和90 mm处设置监测点T7、T8。T12.T11.835-1 80 j*T7*T10.T9.T6 T3T8 80-72翊舛郭 幣邛0厂/201001000图2管道截面图(单位:mm)Fig.2 Pipe section(unit:mm)1.3模型网格划分本次模拟采用ICEM CFD 2D软件对模型进行网 格划分，由于网格划分对于模型计算的精准度有着直 接的影响，故在2D Surf a c e Blo c k ing中建立了一个尺 寸为1 000 mmX 100 mm的矩形。如图3网格独立 性分析所示，建立单元尺寸分别为1、08.0.6、04 mm的网格并进行模拟计算，发现0.4 mm网格曲线 存在一定偏差O 6 mm网格曲线温度数据最明显，考 虑到网格划分数据效果相差不多6 mm网格运算 时间过长,并且根据前人研究，结合计算效率和精 准度，将管道整体按网格单元尺寸为1 mm进行划 分,网格划分的总数量为100 000个，在加密部分采用 网格单元尺寸为0.6 mm进行模拟计算。如图4所 示,对于设置了侧向泄爆口而无障碍物的工况，为了 更精确地体现出瓦斯爆炸在侧向泄爆口附近的反应,在侧向泄爆口下方进行网格加密,加密部分网格单元 尺寸为0.6 mm,最终网格划分总数为148 950个。此 外，为了更好地体现障碍物对管道内流体的影响，如 图5所示在侧向泄爆口下方和障碍物四周进行网格图3网格独立性分析Fig.3 Grid independence analysis72安全与猱说工裡 ht t p:/kt aq.c bpt.c 第30卷加密，加密部分障碍物四周的网格单元尺寸为0.6 mm,最终圆形障碍物、梯形障碍物和矩形障碍物工 况下网格划分总数分别为135 200个、175 600个和 152 560 个。Fig.4 Grid division of working condition of barrier free lateral vent(local schematic diag ram)Fig.5 Grid division of working conditions of obstacles of different shapes and lateral vent(local schematic diag ram)1.4初始条件设置和参数选取将管道壁面和障碍物壁面设置为绝热壁面防止 流体的干扰，最左端泄爆口和侧向泄爆口边界设置 为压力出口。使用CFD求解器Flue nt 2020R瞬态 求解法，模拟中使用甲烷（CHQ作为可燃气体，甲烷 体积分数为9.5%。使用pa t c h对预混气体点火，采 用四边形的内部点火方式，点火位置位于右端壁面 中心，点火坐标为（9901 000 mm,4555 mm）。管道内初始化CH4=0.095、02=0.19（甲烷和氧气 体积分数为9.5%和19%）,温度T-300 K,初始绝 对压力为1个标准大气压，将pa t c h点火初始化温 度设置为2 000 K,压力设置为5个标准大气压，采 用SIMPLE算法，模拟步长设置为1X IO5，最大迭 代步数为20。2模拟结果与分析图6为10 ms时不同形状障碍物条件下侧向泄 爆口位于a和b处时管道内火焰传播过程中的温度 云图和速度矢量图。由图6可以看出，火焰在经过不同障碍物顶部 和底部时所产生的传播速度不同：当侧向泄爆口位 于a处时，由于障碍物底部空间的压缩，火焰波经过 障碍物底部空间的挤压后火焰传播速度骤增，此时 矩形障碍物和梯形障碍物工况火焰前锋位置明显大 于圆形障碍物，这是由于圆形障碍物交界面的过渡 段较为平滑，其表面的弧形使火焰更容易通过障碍 物下方词，从而减小了挤压作用，因此火焰传播速 度较其他两种工况更慢；当火焰从障碍物底部冲出 时，由于受到障碍物和a处侧向泄爆口的双重诱导 作用，梯形障碍物和矩形障碍物工况下部分火焰发 生扭曲变形，火焰自下往上传播，受湍流作用的影响 在障碍物的前方形成明显涡流，而对于圆形障碍物 工况，更多的火焰沿着圆形障碍物弧形表面向上流 出侧向泄爆口；对比b处侧向泄爆口,a处侧向泄爆 口形成的涡流更加明显。图7为不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于 a和b时管道内测点T1处的火焰传播速度变化图。由图7可以看出：矩形障碍物工况时在测点T1 处管道内火焰传播最大速度达到了 48.8 m/s,整体 的火焰传播平均速度表现为矩形障碍物梯形障碍 物圆形障碍物无障碍物，这也与前人研究相 印证。这是因为当障碍物与火焰相互作用时，增加 了未燃烧气体的横向传播速度和燃烧速度致使在测 点T1处的火焰传播速度迅速增大；由于侧向泄爆口第3期贾进章等：侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响73温度/K400 600 800 1 000 1200 1400 1 600 1 800 2 000 2 2000.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m 距左端泄爆口距离/m(a)圆形障碍物，侧向泄爆口位于a处0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.70(b)圆形障碍物，侧向泄爆口位于b处0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m(d)梯形障碍物，侧向泄爆口位于b处距左端泄爆口距离/m(c)梯形障碍物，侧向泄爆口位于a处0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离An(0矩形障碍物，侧向泄爆口位于b处0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.70距左端泄爆口距离An(e)矩形障碍物，侧向泄爆口位于a处图6 10 ms时不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处时管道内火焰传播过程中的温度云图和速度矢量图Fig.6 Temperature nephog ram and velocity vector diag ram at 10 ms during flame propag ation processin.the pipeline with different shaped obstacles when lateral vents located at a and b(SE)、他耍 y图7不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处 时管道内测点T1处的火焰传播速度变化图Fig.7 Flame velocity variation diag ram at measuring point T1 in the pipeline with different shaped obstacles when lateral vents located at a and b的存在，火焰和压力会经障碍物上方流向侧向泄爆 口，随后火焰从障碍物下方经过挤压加速后冲出，冲 出的火焰由于受到障碍物的作用旋转形成湍流火 焰，而再次受到上方泄爆口的吸附，使本该旋转的火 焰加速往侧向泄爆口冲出，从而导致了在13.5 ms 时，矩形障碍物和梯形障碍物工况下管道内超压与 火焰传播速度的明显涨幅。在爆炸初期管道内超压与温度较为平缓,在障碍 物的激励作用下迅速增大，在经过障碍物激励加速之 后,又因燃料浓度下降及侧向泄爆口的泄爆作用导致 爆炸冲击波衰退，温度、压力和速度逐渐下降。图8为15 ms时不同形状障碍物条件下侧向泄 爆口位于a和b处管道内火焰传播过程中的温度云 图和速度矢量图。由图8可以看出：当侧向泄爆口位于a处，自下 而上的火焰波在流向侧向泄爆口时，梯形障碍物和 矩形障碍物底部会产生回流现象，阻碍障碍物下方 的火焰传播,逆流的火焰在障碍物后方形成涡流，加 速了障碍物上方的火焰传播速度；当侧向泄爆口位74安冬与琢境工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷400 600 800 1 000 1 2001 400 1 600 1 800 2 000 2 2000.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m(a)圆形障碍物，侧向泄爆口位于a处0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m(c)梯形障碍物，侧向泄爆口位于a处(b)圆形障碍物，侧向泄爆口位于b处0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m(d)梯形障碍物，侧向泄爆口位于b处0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00距左端泄爆口距离/m距左端泄爆口距离/m(f)矩形障碍物，侧向泄爆口位于b处(e)矩形障碍物，侧向泄爆口位于a处图8 15 ms时不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处时管道内火焰传播过程中的温度云图和速度矢量图Fig.8 Temperature nephog ram and velocity vector diag ram at 15 ms during flame propag ation process in the pipe丘newith different shaped obstacles when lateral vents located at a and b于b处时，由于没有泄爆口的干扰，此时管道内火焰 传播速度表现为梯形障碍物矩形障碍物圆形障 碍物，而梯形障碍物由于其顶部压缩空间小、底部压 缩空间大的原因，产生了障碍物底部火焰传播速度 明显大于顶部火焰传播速度的现象。图9为不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于308020eda、田o OO圆形障碍物 梯形障碍物 矩形障碍物 无障碍物edawo O6 420O一圆形障碍物梯形障碍物矩形障碍物-20-30 I I|i0 1 2 3 4 5 6时间/ms(a)侧向泄爆口位于a处0 1 2 3 4 5 6时间/ms(b)侧向泄爆口位于b处图9不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处时管道内测点T4处的超压-时间曲线图Fig.9 Overpressure-time curve diag ram at measuring point T4 in the pipeline with different shaped obstacles when lateral vents located at a and b第3期贾进章等：侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响75a和b处时测点T4处(障碍物正上方)的超压-时间 曲线图。由图9可以看出：当侧向泄爆口位于a处时该 曲线上下振动的频率和幅度更大，这是由于火焰涡 流和侧向口泄爆的共同作用；当侧向泄爆口位于a 处时,T4测点处圆形障碍物工况下管道内平均超压 和振荡幅度大于其他两种障碍物存在的工况，由于 侧向泄爆口边界条件为压力出口，即出口附近的超 压越大，泄放出去的压力越大，因此在障碍物存在的 工况下，圆形障碍物在侧向泄爆口 a处泄放效果最 佳；当侧向泄爆口位于b处时，T4测点处管道内超 压经过迅速增大后减小,无明显的振荡，这也证实上 文中火焰经过障碍物后加速冲击的状况。图10为不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位 于a和b处时管道内超压-路程曲线图。由图10可见:两种工况下管道内超压在传播过(a)侧向泄爆口位于a处，t=l ms图10不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处时管道内超压-路程曲线图Fig.10 Curves of overpressure-route in the pipeline with different shaped obstacles when lateral vents located at a and b程中都经过了先增大后减小再次增大的过程，已有 研究表明固，两种工况下管道内超压初始的加速过 程主要是由于障碍物的诱导作用；在经过泄爆口一 段距离后管道内超压下降并趋于平缓趋势，随后由 于爆炸产生的能量泄放出去的能量，超压呈增长 趋势发展；当侧向泄爆口位于a处时矩形障碍物工 况下管道内超压峰值达到了 35.18 k Pa,侧向泄爆 口位于b处时矩形障碍物工况下管道内超压峰值达 到了 34.83 k Pa；当侧向泄爆口位于a处时,泄爆口 附近出现了明显的负压现象，这是由于障碍物的存 在加大了管道内超压在侧向泄爆口 a处向周围传 播,而障碍物上方的泄爆口起到了明显的泄爆作用，管道内压力在短时间内骤减。另外，由图10还可以 看出：无障碍物工况下管道内超压变化幅度和峰值 均小于有障碍物工况；对于侧向泄爆口位于a处，ms时刻，矩形障碍物工况下管道内超压的平 均峰值为有障碍物工况下最高,火焰传播速度最快,但在0.65-0.75 m处圆形障碍物工况下管道内超 压峰值较高，这主要由于矩形障碍物和梯形障碍物 产生的火焰波回流和旋转作用导致管道内超压在这 段路程减少，而圆形障碍物工况下管道内超压传播 到泄爆口时能量没有被过多地泄放，很快障碍物的 诱导起主要作用，让矩形障碍物工况下管道内超压 峰值保持最大，这也与后文中矩形障碍物工况下管 道内超压传播到左端泄爆口时间最少相印证。图11为20 ms和30 ms时不同形状障碍物条 件下侧向泄爆口位于a和b处时火焰传播过程中的 温度云图和速度矢量图。由图11可以看出：当侧向泄爆口位于b处工况 下，管道内火焰传播平均速度均大于侧向泄爆口位 于a处工况，这是由于工况a条件下障碍物设置在 泄爆口下方，障碍物的存在加速了火焰从障碍物顶 端和底端传播速度，使得泄爆口对火焰的泄放作用 加大,使工况a的泄放效果大于工况b,从而导致在 工况a下火焰的能量损失较大，减小了火焰传播速 度，且在同等时间的火焰传播路程小于工况b；对于 工况b条件下，当火焰波传播到侧向泄爆口附近时,侧向泄爆口附近产生了大量的逆时针涡流，在泄爆 的同时暂时性地加速了火焰的传播；对比不同形状 障碍物来看，矩形障碍物和梯形障碍物工况下火焰 传播受到侧向泄爆口的作用小于圆形障碍物，相同 时刻火焰传播距离大于圆形障碍物。76安冬与琢境工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷温度/k|600 800 1 000 1200 1400 1 600 1 8004002 2002 0000.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.00.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.0 0.40.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.00.5 0.6 0.70.70.80.91.00.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.0距左端泄爆口距离/mm(a)侧向泄爆口位于a处,片20 ms0.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.0距左端泄爆口距离/mm(b)侧向泄爆口位于b处,r=20 ms0.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.00.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.00.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.00.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.00.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.0距左端泄爆口距离/nnn(c)侧向泄爆口位于a处,戶30 ms0.4 0.5 0.6 0.70.7 0.8 0.9 1.0距左端泄爆口距离/mm(d)侧向泄爆口位于b处，片30 ms图11 20 ms和30 ms时不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处时管道内火焰传播过程中的温度云图和速度矢量图Fig.11 Temperature nephog ram and velocity vector diag ram at 20 ms and 30 ms during flame propag ation processin the pipeline with different shaped obstacles when lateral vents located at a and b图12为不同形状障碍物条件下火焰传播至左 端泄爆口时管道内火焰传播过程中的温度云图和速400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200温度/K0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0仏迦9仏0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0距左端泄爆口距离/mm 距左端泄爆口距离/mm(a)侧向泄爆口位于a处(b)侧向泄爆口位于b处图12不同形状障碍物条件下火焰传播至左端泄爆口时管道内火焰传播过程中的温度云图和速度矢量图Fig.12 Temperature nephog ram and velocity vector diag ram in the pipeline with different shaped obstacles when flame propag ation to the left explosion vent第3期贾进章等：侧向泄爆口与障碍物形状对管道内瓦斯爆炸的影响77度矢量图。由图12可以看出：相比于圆形障碍物和无障碍 物工况，梯形障碍物和矩形障碍物工况下火焰传播 到出口的时间更短，这是由于前20 ms时间段内，由 于障碍物对流体的挤压作用，致使火焰以更高的速 度从障碍物下方冲出，随后由于矩形障碍物和梯形 障碍物的诱导作用,使火焰回流形成湍流，火焰传播 速度呈现降低趋势；当侧向泄爆口位于b处时，矩形 障碍物工况下火焰通过管道的时间最短，约为60 ms。已有研究表明，当侧向泄爆口位于障碍物后 方时,火焰受到障碍物的强烈刺激，爆炸强度大，火 焰横向传播速度较高，不利于侧向泄爆口发挥泄爆 作用，从而印证了图中侧向泄爆口位于b处时火焰 传播平均速度大、平均耗时短。图13为不同形状障碍物在侧向泄爆口位于a 和b处工况下管道内火焰传播距离-时间曲线图。1 0001 000日日、極圄鞘地Mo O8 6o OO40丈O o O20一一圆形障碍物 亠梯形障碍物 一矩形障碍物 无障碍物o o O o o O8 6 4 吕日、W蜃罄ey002圆形障碍物 亠梯形障碍物 一矩形障碍物 一无障碍物20 40 60 80 100 12040丄OO20时间/ms(a)侧向泄爆口位于a处40 60时间/ms侧向泄爆口位于b处80 100图13不同形状障碍物条件下侧向泄爆口位于a和b处时管道内火焰传播距离-时间曲线图Fig.13 Curves of distance-time in the pipeline with different shaped obstacles when lateral vents located at a and b由图13可以看出：当侧向泄爆口位于b处时,无障碍物和球形障碍物条件下，火焰传播距离在左 端出口位置的变化趋势接近，这是因为圆形障碍物 的弧形边界使得火焰更容易通过障碍物，火焰前锋 传播速度与无障碍物工况接近，因此球形障碍物和 无障碍物对于侧向泄爆口处火焰传播速度的影响较 为接近;但障碍物的诱导加速作用使得圆形障碍物 工况下后期的火焰传播速度超过无障碍物工况。3结论(1)在侧向泄爆口中心位于距左端泄爆口 875 mm和625 mm处条件下，圆形障碍物工况下管道 内超压和火焰传播速度变化趋势与无障碍物工况相 似但略高于无障碍物工况。相较于矩形障碍物和梯 形障碍物工况，圆形障碍物工况下管道内侧向泄爆 口的泄爆效果最为明显。(2)在侧向泄爆口中心位于距左端泄爆口 625 mm处条件下,矩形障碍物工况下管道内平均超压 最大，在2.5 ms时其峰值达到了 35.4 k Pa,且矩形 障碍物工况下管道内火焰通过管道的时间最短，约 为60 ms,火焰通过管道左端泄爆口的时间表现为矩 形障碍物V梯形障碍物V圆形障碍物V无障碍物。(3)当管道内有障碍物存在时，障碍物会诱导 火焰沿着管道上部和下部传播，产生的湍流和火焰 波会在狭窄的管道内发生反射和叠加，侧向泄爆口 利用了障碍物对火焰波的诱导，促使火焰通过管道 上侧泄爆口泄放，从而增强侧向泄爆口的泄爆效果0 当侧向泄爆口开启后，泄爆口内外的压差促使管道 内的高压流体夹杂着火焰，向泄爆口外流动。参考文献：1蒋星星，李春香.2013-2017年全国煤矿事故统计分析及对策 J.煤炭工程，2019,51(1)：101-105.D0I：10,11799/c e201901023.C2部阳.受限空间瓦斯爆炸事故伤害模型及严重度研究D.焦作:河南理工大学,2015.3张迎新，吴强，刘传海，等.惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验 研究J.爆炸与冲击,2017,37(5):906-912.DOI：10.11883/1001-1455(2017)05-0906-07.养征龙，马恒，邓立军.基于Ch a rlet t e模型的柔性障碍物对瓦斯 爆炸的影响研究J.安全与环境学报，2022,22(5):2420-2427.DOI：10.13637/j.is s n.1009-6094.2021.0754.5徐阿猛，陈学习，贾进章.障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播的影响(下转第89页)第3期岑康等：小型商业暗厨房补风措施优化研究89k it c h e