变温下多元可燃气体对甲烷爆炸特性的影响数值模拟_罗振敏.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 变温下多元可燃气体对甲烷爆炸特性的影响 数值模拟 罗振敏 1， 2， 3， 王 磊 1， 2， 3， 李秀芳1， 2， 3， 王 涛 1， 2， 3 （1.西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心， 陕西 西安 710054； 3.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 为有效地预防及控制矿井下煤自燃过程中产生的常见可燃气体对甲烷爆炸所造成的后 果， 利用 FLACS 软件模拟研究了 5 种初始温度 （25、 60、 100、 140、 180 ℃） 下 C2H4、 C2H6、 H2和 CO 这 4 种气体按不同比例混合后对甲烷最大爆炸压力和最大爆炸温度的影响。研究表明 在定容 常压下， 随初始温度的增加， 与任意多元气体混合后的甲烷， 其最大爆炸温度呈上升趋势， 最大 爆炸压力则呈下降的趋势。 随 4 种可燃气体的混合体积分数从 0.4增加到 2.0， 甲烷最大爆炸 温度和最大爆炸压力上升且初始温度较低时升幅更大。 关键词 甲烷 （瓦斯） 爆炸； 多元可燃气体； 体积分数； 初始温度； 最大爆炸温度； 最大爆炸压力 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0006-06 Numerical Simulation of Effect of Multi-component Combustible Gases on Methane Explosion at Variable Temperature LUO Zhenmin1,2,3, WANG Lei1,2,3, LI Xiufang1,2,3, WANG Tao1,2,3 （1.School of Safety Science and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China; 2.Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety 3.Key Laboratory of Western Mines Exploitation and Disaster Prevention of the Ministry of Education, Xi’ an 710054, China） Abstract To study the influence of common combustible gas produced in spontaneous combustion of underground coal on methane explosion, the effects of the mixture of C2H4, C2H6, H2and CO on the maximum explosion pressure and temperature of methane were simulated by FLACS software at 5 initial temperatures （25, 60, 100, 140 and 180 ℃） . The results show that, with the increase of initial temperature, the maximum explosion temperature of methane and the maximum explosion pressure show an upward trend, while the maximum explosion pressure shows a downward trend. With the increase of the volume fraction of the four combustible gases from 0.4 to 2.0, the maximum explosion temperature and the maximum explosion pressure of methane in- creased even more when the initial temperature was lower. Key words methane（gas）explosion; multi-component combustible gas; volume fraction; initial temperature; maximum explosion temperature; maximum explosion pressure 为控制和预防在工业生产中引发的可燃性气体 爆炸事故所带来的财产损失与人员伤亡，国内外学 者在理论、实验和模拟等方面对甲烷爆炸的特性进 行了大量的研究[1]。 Hashimoto A, Matsuo A 首次将计 算机应用于爆炸模拟[2]。 SknskyJ， Vlasin N I， Sarli V D[3-5]基于计算流体力学软件模拟了初始温度、 压力 和管道形状对甲烷-空气混合气体爆炸特性，得出 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.002 罗振敏， 王磊， 李秀芳， 等.变温下多元可燃气体对甲烷爆炸特性的影响数值模拟 ［J］ .煤矿 安全， 2020， 51 （3） 6-11. LUO Zhenmin, WANG Lei, LI Xiufang, et al. Numerical Simulation of Effect of Multi-component Com - bustible Gases on Methane Explosion at Variable Temperatures ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3 ） 6-11. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804702- 5） ； 陕 西 省 自 然 科 学 基 础 研 究 计 划 面 上 资 助 项 目（2017JM5068， 2018JM5152） 移动扫码阅读 6 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 C2H6C2H4H2CO 配比 15511 配比 25111 配比 31511 配比 41151 配比 51115 配比 61155 表 14 种可燃气体混合比例 Table 1Mixing proportion of 4 combustible gases 火焰和压力在不同条件下的变化规律。罗振敏[6]等 基于 Flacs 研究了受限空间的瓦斯爆炸燃烧波的传 播形式及从壁面到点火源温度和压力的梯度变化的 规律。王涛[7]采用 Flacs 软件对甲烷受不同浓度可燃 气体的影进行研究，得出可燃气体对甲烷爆炸起到 促进作用。邓军[8]等基于 Fluent 软件模拟了在不同 浓度、不同点火能量以及不同压力条件下多元可燃 气体爆炸的压力峰值变化的影响。张群[9]利用FLACS 对封闭火区点火源位置、气体填充长度、多元气体 浓度及障碍物对瓦斯爆炸特性的研究。马秋菊[10]通 过实验和模拟 2 种方法对约束空间内 H2-air-CH4 和 H2-CH4混合气体爆炸特性进行研究。综上， 现阶 段对多元气体爆炸的研究，大多集中在浓度一定的 条件下对爆炸过程的传播。综合考虑初始温度、 可 燃气体的种类、配比、体积分数等多因素作用的研 究较少。对于不同初始温度下多元可燃气体对甲烷 爆炸这一领域的研究还相对很少。为此采用 FLACS 软件将初始温度与体积分数作为影响因素，研究不 同浓度的 6 种配比的混合可燃气体随初始温度的变 化对甲烷最大爆炸压力和温度的规律，为研究矿井 内瓦斯爆炸特性和采取抑爆措施提供参考。 1球形罐内甲烷爆炸的数值模型 1.1数学模型 封闭空间内气体爆炸是一个复杂的化学反应并 伴随着流动的过程，因其相当复杂，对其进行数值 模拟时，进行以下合理简化①内部气体具有真实 气体的所有性质，满足气体状态方程；②气体爆炸 过程为简单的一步反映；③设备与环境无热交换且 爆炸过程绝热。 用此封闭空间进行数值模拟时，流场选用燃烧 时均方程组来描述，湍流变化用 k-ε 表示， β-火焰 模型描述火焰传播，邻近壁面区应用壁面函数。该 20 L 球形爆炸罐封闭空间的基本方程具体如下[5] 连续性方程 ∂ρ ∂t ＋ ∂ ∂xi（ρu i） ＝0 （1） 式中 t 为时间， s； xi为 i 方向的坐标； ρ 为密度， g/L； ui为 i 方向的速度分量， m/s。 动量方程 ∂ ∂t（ρu i） ＋ ∂ ∂xj ρujui－μeff ∂ui ∂xj （）＝ ∂p ∂xi ＋ ∂ ∂xj μeff ∂uj ∂xi （）- 2 3 ∂ ∂xj δijρk＋μeff ∂uk ∂xk （）[]（2） 式中 p 为压力， MPa； μeff为总有效黏性； ui、 uj、 uk 分别为 i、 j、 k 方向的速度变量； xi、 xj、 xk分别为 i、 j、 k 方向的坐标； δij为克罗内克符号， 若 i≠j， δij0， 若 i j， δij1； k 为湍流动能， J。 能量方程 ∂ ∂t（ρh） ＋ ∂ ∂xj ρujh－ μeff σh ∂h ∂xj （）＝ ∂p ∂t ＋Sh（3 ） 式中 h 为滞止焓， J/mol； σh为普朗特施密特数； Sh为耦和辐射而引起的辐射源项。 k 方程 ∂ ∂t（ρk） ＋ ∂ ∂xj ρujk－ μeff σk ∂k ∂xj （）＝Gk＋Gb－ρε（4 ） ε 方程 ∂ ∂t（ρε） ＋ ∂ ∂xj ρujε－ μeff σε ∂ε ∂xj （）＝C1G ε k -C2ρ ε2 k （5 ） 式中 ε 为湍流动能耗散率； k 为湍流动能； C1、 C2为经验系数； Gk为层流速度梯度产生的湍流动 能； Gb为浮升力影响引起的湍流动能产生项； σk、 σε 分别为 k、 ε方程的普朗特施密特数。 1.2几何模型和网格划分 模拟的是直径为 336.8 mm 的球形爆炸罐， 传感 器安置在内壁上，容器中心位置为点火源。模拟的 边界条件 ①壁面空间各个方向速度为 0， 沿容器壁 面， 无速度滑移现象； ②在法向量上， 温度、 压力以 及密度梯度均指定为 0。整个计算区域内采用均匀 网格，计算区域为接近真实边界的阶梯边界。在计 算区域内 x、 y、 z 3 个方向均划分 27 个网格， 计算区 域内共有 19 683 个网格。 1.3方案设计与工况介绍 设置选取除 CH4外的 4 种气体 （CO、 C2H6、 C2H4、 H2） ， 在 5 个不同初始温度下， 按照 6 种不同的配比 将上述 4 种气体进行混合，将配比好的混合气体加 入 CH4中， 模拟在不同初始温度下多元混合气体对 甲烷特性 （最大爆炸温度、 最大爆炸压力和燃料消耗 过程） 的变化规律并析其原因。 4 种可燃气体混合比 例见表 1。 7 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 模拟工况 ①所需气体 CH4、 CO、 C2H6、 C2H4、 H2； ②初始温度 25、 60、 100、 140、 180 ℃；③环境湿度 52-75RH；④气体体积分数 7、 9.5、 11的甲烷 与 0.4、 1.2、 2.0 （相对于甲烷-空气混合体系） 的表 1 中 6 种配比的混合气体分别混合。 1.4研究方法 基于 FLACS 软件来求解所建立的数学模型， 通 过求解每种组成物质的对流扩散来模拟气体火灾、 爆炸，该软件原理是采用有限体积法在三维笛卡尔 网格条件下求解可压缩的 N-S 方程。 2结果与分析 2.1不同初始温度下多元可燃气体对甲烷爆炸影响 研究体积分数为 7、 9.5、 11的甲烷与体积分 数为 0.4、 1.2、 2.0的 6 种配比混合气体分别混 合， 在不同的初始温度下对甲烷爆炸特性的影响。 当甲烷体积分数为 7时，分别选取体积分数 为 0.4、 1.2、 2.0的混合气体， 初始温度对 7的 甲烷最大爆炸压力和最大爆炸温度的影响如图 1。 由图 1 可知， 当甲烷体积分数为 7时， 随着初 始温度的增加，甲烷最大爆炸温度呈上升的状态， 最大爆炸压力呈现出连续下降的状态。混合气体体 积分数为 0.4时， 各配比使甲烷的最大爆炸温度随 初始温度的升幅分别为 5.0、 5.1、 5.1、 5.4、 5.4、 5.5； 混合气体体积分数为 1.2时， 升幅分 别为 3.6、 3.7、 3.8、 4.8、 4.8、 4.9；当混合 气体体积分数为 2.0时， 6 种配比对应的最大爆炸 温度升幅分别为 2.8、 2.8、 2.8、 4.2、 4.1、 4.3。 6 种配比体积分数下， 甲烷的最大爆炸压力随 初始温度的降幅均为 37。 当甲烷体积分数为 7时，甲烷最大爆炸压力与 最大爆炸温度随着混合气体的体积分数的增加在数 值上均呈上升趋势。 配比 1 至配比 3 使甲烷最大爆炸 温度和最大爆炸压力随混合气体体积分数的增加增 幅更大， 且在数值上整体高于配比 4 至配比 6。当加 入的混合可燃气体体积分数从 0.4到 2.0时， 配比 1 至配比 3 使甲烷最大爆炸温度的上升幅度是配比 4 至配比 6 使甲烷最大爆炸温度上升幅度的 2 倍左右， 而甲烷最大爆炸压力的降幅约是 1.5 倍左右。 当甲烷体积分数为 9.5时，选取 0.4、 1.2、 2.0的混合气体体积分数讨论不同配比在不同初 始温度下最大爆炸温度和压力变化，初始温度对 9.5的甲烷最大爆炸压力和最大爆炸温度的影响 如图 2。 由图 2 可知， 体积分数为 9.5的甲烷最大爆炸 温度随初始温度的升高，一直呈上升趋势，甲烷最 大爆炸压力呈一直减小的趋势。当混合气体体积为 0.4时， 6 种配比使最大爆炸温度的变化幅度均为 3.0左右； 当混合气体体积分数为 1.2时， 配比 1 至配比 6 使甲烷最大爆炸温度的升幅分别为 4.3、 4.3、 3.1、 3.4、 3.4、 3.4； 当混合气体体 积分数为 2.0时， 6 种配比使甲烷最大爆炸温度升 幅分别为 5、 5.2、 4.8、 4.0、 4.0、 3.8。由上 述升幅和图表中拟合公式发现与甲烷体积分数为 图 1初始温度对 7的甲烷最大爆炸压力 和最大爆炸温度的影响 Fig.1Effect of initial temperature on maximum explosion pressure and maximum explosion temperature characteristics of methane with the volume fraction of 7 8 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 2初始温度对 9.5的甲烷最大爆炸压力和最大爆炸 温度的影响 Fig.2Effect of initial temperature on maximum explosion pressure and maximum explosion temperature characteristics of methane with the volume fraction of 9.5 7时相反， 各配比的最大爆炸温度随混合气体体积 分数的增加而呈现不同幅度的上升，配比 1 至配比 3 的升幅均大于配比 4 至配比 6。在 6 种配比下， 甲 烷的最大爆炸压力只随初始温度规律性下降且降幅 为 36～37。 当甲烷体积分数为 9.5时， 随着混合气体体积 分数的增加，甲烷最大爆炸温度呈现先上升后下降 趋势。配比 1 至配比 3 使甲烷最大爆炸温度随混合 气体体积分数的增加有明显的下降。随混合气体体 积分数的增加， 甲烷的最大爆炸压力无明显变化。 初始温度对体积分数为 11的甲烷最大爆炸 压力和最大爆炸温度的影响如图 3。 由图 3 看出，体积分数为 11的甲烷最大爆炸 温度和最大爆炸压力随初始温度的变化同体积分数 为 7和 9.5的变化趋势是基本一致的。混合气体 体积分数为 0.4时， 配比 1 至配比 6 最大爆炸温度 的升幅分别为 4.8、 4.8、 5.1、 4.6、 4.5、 4.5； 体积分数为 1.2时，升幅分别为 5.3、 5.4、 5.2、 4.8、 4.8、 4.7； 体积分数为 2.0时， 升幅 分别为 5.9、 5.9、 5.6、 5.0、 5.5、 4.7。6 种 图 3初始温度对 11的甲烷最大爆炸压力 和最大爆炸温度的影响 Fig.3Effect of initial temperature on maximum explosion pressure and maximum explosion temperature characteristics of methane with the volume fraction of 11 9 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 配比体积分数下，甲烷的最大爆炸压力随初始温度 的降幅均为 36。 当甲烷体积分数为 11时， 随着混合气体的体 积分数从 0.4到 2.0，各配比均使甲烷最大爆炸 压力与最大爆炸温度数值上均呈下降趋势。配比 1 至配比 3 使甲烷最大爆炸温度随体积分数的增加下 降幅度较大，基本为同体积分数的配比 4 至配比 6 时降幅的 3 倍左右。随着混合气体体积分数的增 加，配比 1 至配比 3 使甲烷的最大爆炸压力的下降 的幅度更大。 2.2初始温度下可燃气体对甲烷爆炸传播的影响 研究选取混合气体体积分数为 0.4的配比 1， 在初始温度为 25、 140 ℃下 0.4多元混合气体对甲 烷爆炸过程火焰锋面和速度场的变化影响图像分别 如图 4、 图 5。 由图 4 可知， 25 ℃时， 体积分数为 9.5的甲烷 爆炸过程看出， 在 20～26 ms 之间反应迅速， 爆炸火 焰锋面以近球面的形式向四周漫延，当爆炸到达第 47 ms 时， 燃料未完全反应， 爆炸产物未完全均匀充 满容器，此时爆炸速度处于 6 m/s 左右。速度场发 现，在 0～20 ms 之间，速度从模型起爆点向四周传 播， 在 20～26 ms 之间某一时间点碰到器壁且开始逆 向传播。11的甲烷爆炸过程看出， 当爆炸至 20 ms 时， 反应速率约为 2 m/s， 且随后减小， 直至爆炸遇 壁面逆向传播瞬间，传播速率才略有增加的趋势。 到 47 ms 时， 燃料未完全反应且产物也未充满容器， 而正向爆炸波刚触及壁面准备向反方向传播。 由图 5 可知， 140 ℃时，甲烷体积分数为 9.5 的爆炸过程看出， 速度远大于 25 ℃时， 且在 26～40 ms 之间反应已完成， 产物完全分布爆炸罐内， 在 20 ms 前，爆炸波已经到达器壁并向反方向传播。由 11的甲烷爆炸过程看出，爆炸反应速率有大幅的 提升， 在 40～47 ms 内反应完成。 3结论 1） 在定容常压下， 初始温度使最大爆炸温度呈 线性上升趋势。当加入到体积分数为 7的甲烷中 时， 随初始温度的升高， 最大爆炸温度升幅和速率随 混合可燃气体体积分数增加而减小。而当加入到 9.5和 11的甲烷中时相反。随着混合可燃气体体 积分数的增加，配比 1 至配比 3 使升速大于配比 4 至配比 6。 图 425 ℃下 0.4多元混合气体对甲烷爆炸过程 火焰锋面和速度场变化的影响图像 Fig.4Effect of flame front and velocity field changes during methane explosion with 0.4 of the mixed gas at 25 ℃ 图 5140 ℃下 0.4多元混合气体对甲烷爆炸过程 火焰锋面和速度场变化的影响图像 Fig.5Effect of flame front and velocity field changes during methane explosion with 0.4 of the mixed gas at 140 ℃ 10 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 2 ） 在定容常压下， 甲烷最大爆炸压力随着初始 温度的升高呈连续下降趋势， 降幅一致为 36～37 之间。且发现拟合的压力公式基本不受混合可燃气 体和甲烷体积分数的影响。 3）在定容常压下， 含 C2H4和 C2H6较多的配比 对甲烷最大爆炸温度和压力的影响相对较大。正氧 平衡下，配比 1 至配比 3 使甲烷最大爆炸温度要大 于配比 4 至配比 6， 负氧平衡下则相反。 上述规律在 初始温度升高的情况下也一直成立。而最大爆炸压 力则与初始温度二者时刻呈现负相关的关系。另 外，随初始温度的增加，最大爆炸温度和最大爆炸 压力随多元混合气体体积分数增加而上升或下降的 幅度减小。 4 ） 定容常压下， 对比不同温度下爆炸传播的动 态过程发现 体积分数为 9.5的甲烷比 11的甲烷 爆炸反应速率更快。 温度为 140 ℃时比 25 ℃时提前 消耗完燃料， 即初始温度加快了甲烷的爆炸反应。 参考文献 ［1］ 钟元华， 孙继宏.煤矿瓦斯爆炸原因分析与防治 ［J］ .企 业技术开发， 2014 （11） 172-173. ［2］ Hashimoto A, Matsuo A. Numerical analysis of gas ex- plosion inside two rooms connected by ducts ［J］ . Jour- nal of Loss Prevention in the Process Industries, 2007, 20 （4） 455-461. ［3］ Sknsky J, Vere J, Peer V, et al. Explosion characteristics of methane for CFD modeling and simulation of turbulent gas flow behavior during explosion［C］ // American Insti- tute of Physics Conference Series. AIP Publishing LLC, 201637-43. ［4］ Vlasin N I, Colda C I, Pasculescu V M, et al. Turbulence modelling in computational simulation of methane explo- sions［C］ //16th International Multidisciplinary Scien tific Geoconference Sgem. Bulgaria Albena, 2016. ［5］ Sarli V D, Benedetto A D, Russo G. Large Eddy Simu- lation of transient premixed flame vortex interactions in gas explosions ［J］ . Chemical Engineering Science, 2012, 71 （13） 539-551. ［6］ 罗振敏， 张群， 王华， 等.基于 FLACS 的受限空间瓦斯 爆炸数值模拟 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （8） 1381. ［7］ 王涛.管道内甲烷爆炸特性及 CO2抑爆的实验与数值 模拟研究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2014. ［8］ 邓军， 马晓峰， 商铁林， 等.多元可燃气体爆炸压力峰 值的数值模拟 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （4） 13-16. ［9］ 张群.高瓦斯矿井封闭火区瓦斯爆炸实验及数值模拟 研究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2013. ［10］ 马秋菊.约束空间内多元气体爆炸及其转燃烧规律 ［D］ .北京 北京理工大学， 2015. 作者简介 罗振敏 （1976） ， 女， 山东兖州人， 教授， 西 安科技大学安全科学与工程学院副院长，主要从事可燃性 气体爆炸防控理论及技术研究。 （收稿日期 2019-03-29； 责任编辑 王福厚） Numerical Simulation ［J］ . Procedia Engineering, 2012, 45 （2） 345-351. ［11］ 郝富昌， 刘明举， 孙丽娟.瓦斯抽采半径确定方法的 比较及存在问题研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （12） 55-58. ［12］ 俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版 社， 1992 103-104. ［13］ 徐三民.确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨 ［J］ .煤炭 工程师， 1996 （3） 43-44. ［14］ 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局. 防治煤与瓦斯突出规定 ［M］ .北京 煤炭工业出版 社， 2009 20-21. ［15］ 国家安全生产监督管理总局， 国家发展和改革委员 会， 国家能源局， 等.煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2016 5-6. 作者简介 孙卓越 （1992） ， 男， 河北保定人， 研究实习 员， 煤炭科学研究总院在读硕士研究生， 主要从事矿山灾害 及其防治方面的研究。 （收稿日期 2019-04-11； 责任编辑 王福厚） （上接第 5 页） 11 ChaoXing