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