管道中瓦斯爆炸超压场的数值模拟.pdf

一 煤 矿 安 全（2 0 0 8－ 。l ） 5 管 道 中瓦 斯 爆 炸超 压 场 的数 值模 拟 李 小 余 ， ‘ ， 刘 庆明’ 白春华’ 蒋丽 ‘ （ L北京 理 工 大 学 爆 炸 科 学与扶 术 国 象 重 友实 验 室， 北 京 l 似m8 1；2中北 大 学 化 工 与 环 坎 学 院， 山 西 大 原 o 剔 双D 1） 摘裹 利 用 计 算 流 体 动 力 学 软 件 A u t o Re a G a s ，定 量 地 研 究 了 障 碍 物 和 瓦 斯 浓 度 对 管 道 中 瓦 斯 爆 炸 赵 压 场 的 影 响 。 研 究 结 果 表 明 当 有 障 碍 物 存 在 时 ， 爆 炸 峰 值 超 压 会 显 著 增 加，且 峰 值 超 压 随 着 障 碍 物 阻 赛 比 的 增 加 而 增 如。 瓦 斯 浓 度 对 峰 值 超 压 的 影 响 与 管 遭 中 是 否 存 在 障 碍 物 有 关。 在 无 障 碍 物 的 情 况 下 ，甲烷 浓 度 酌 变 化 对 爆 炸 峰 值 超 压 的 影 响 并 下 十 兮 显 著。 在 障 碍 物 存 在 的 情 况 下 ， 甲烷 浓度 的 变 化 对峰 值 起 压 具 有 显 鲁 影 响。 关 键 词 瓦斯 爆 炸 ； 数 植 摸 拟 ； 赵 压；障 碍 物 中 图 分 柒 号 T D 7 1 入 7文 献标 识 码 A 文 章 编 号 ； I D （）－ 496 X（2 0 0） 0 1 －W－阴 NU m e M Si j ，11l l a t i l ，11 o f G a s c p u h o Fi e k i i n T U b e U Xi 。 －如叩 ‘ “ ， LIU Q i n g－而一 ， BA I Ch u n－k u a ’ ， JI A NG h’ （SW耐h a r o t o 叮 “御 M b n ＆。M几小。 ⋯，h旷u s 彻 缸 t i n e“趴 愉 ⋯，＊御i f ］0 0 8 1，删 n a ； ZCo l e g r o f Ch e。 i c o f Ei l x l l z e e ’z n g n d En t b oM ， No h a U n h e 。 t y o f Ch h e，7 h i l ）．．n ．t 0 30 0 51， 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碍 物 及 瓦 斯 浓 度 对 爆 炸 超 压 的影 响 现 律。 质 量 守 恒 方 程 巫 ＋ 斗。。 ）＝0 （ l机a 兀 ” 卜 门 勺 “ 动 量 守 恒 方 程 阜 b u； ）＋ H （。 u 。 u j二 一一9 、 华（2砌 一 ‘ ”a 兀 刁～ ‘ ”＊ 工股 。’ 一’ 能量 守 恒 方 程 a． 。 、 a ．＊ 、 a 。。 a e、 a 千 （PE ）＋六 （Pu l E ）。 －十〔几 斧 J一含 趴”a 儿 ” 『‘ ”a X ” －“a l “a l d 泌 。 】 o 以 。 ］斗＊ 。N Ij】 燃料质 量分 数 方程 山 ＿、。上 In 。 。 ＿ 、＿上 I ， 丛1 。 F ’ ＂m ．’ ” 7 Le a r n ．）“ It‘ 。 万J ”u s 1计 算 流 休 动 力 学 软 件 A u t o Re a G a s 2 0 世纪 叨 年代， 英 国 Ce n t U l y D y n t h e c s 公 司和 荷 兰T NO 联合 开 发 了 模 拟 气 体 爆 炸 的 专 用 软件 包 A u t O Re a G a s ， 该 软件 包 括 气 体 爆 炸 和 爆 炸 波 两 个计 算部 分， 能对 气体 爆 炸 过 程 进 行 细致 的模 拟。 气 体 爆燃在数 学上模 拟为 理想 气体 的加热 膨 胀。 气 体动 力 学可用质量、 动 量 和 能量 守 恒 方 程 表 示t ‘ ） 。 在 笛 卡j Lt h 标 系下 分另 0 为 （4 ） 湍流用 k 磨模 型来描述 。 扣 ⋯）＋舌（ 。 ， 。 。 。者［ k 舞。 ＋、装 － 。 厂 ） 一 煤 矿 安 全（T e d 398） 6 时， 闭 口 端 （ 测 点 1 ）和 开 口 端 （ 侧 点 10）的 压 力 －时 间 曲 线。 从 图 中 可 以看 出，障 碍 物 对 瓦 斯 爆 炸 峰 值 超 压 具 有 重 要 影 响。 没 有 障 碍 物 时，在 管 道 闭 口 端 和 开 口 端 的 峰 值 超 压 分 别 是 2 91 k Pa 和 9 4 k Pa。 当 有 障 碍 物 存 在 时，峰 值 超 压 显 著 增 大，在 开 口端 和 闭 口 端 分 别 达 到 2 42 3 k Pa 和 17 1 ． 0 k Pa，分 别 为 无 障 碍 物 时 的 8 3 、 18 ． 2 倍 。 扣 。。＋舌。 。e 。 。舌〔 r 。斧）＋c j ， ； 2 a以； 氏千 （6） a 式 ， 。 ＝ u ； 哄 嗤 。 －杠 。 。 。 ＋ 。 房 ］ （7） 上述 公式 中， 尸为 密度，U；为 7坐标 方 向上 的粒 子速 度， 尸为 静 压，晃为 湍 动 能，、 为 湍 动 能 耗 散 率，m A 为 燃 料质 量分数， 灿 ；为湍 流粘性，琢 为体 积 燃 烧 速 率， r 为输 运 特 性 的 湍流 耗 散 系 数， c V 为 定 容 比热，T 为 温 度， I l o为 燃 烧 热，。 为 输 运 恃性 的 湍流普 朗 特数， 八为 克罗 内克 尔算 子。 m 2 0 土 肾’ 二音道 的物理 模型 和数 值模 型 0 模 拟 的 管 道 横 断 面 积 0 2 m －c 0 2 m， 长 Zm ， 一 端 封 闭 ， 另 ～端 开 口。 在 管 道 中 均 匀放 置 平 板 障 碍 物 ． 间距 力 0 2 m， 如 图 互所 示 。 ［ 0 11 150 时 间I。 。 2 D 02 50500 图 3管道 中元障碍 物时的超压 －时间曲线 2 50 删 图里管道 的物理模 型 塞15 。 窒 11 为测 得 瓦斯 爆 炸过 程 中压 力 的 变化 ， 沿 管道 上 壁 面 中 心 轴 依 次 布 置 10 个 测 点 。 第 玉 个 测 点 的 坐 标 为 （o f ， 0、 玉 ， 0 2 ）， 每 隔 0 2 m 布 置 1 个， 第 10 个 测 点 的 坐 标 为（ 19， o f ， 0 2） 。 网 格 大 小 为 10 m m x 10 m m x 10 n u n， 在 。 ， 儿。方 向 分 别 划 分 为 2 0 0 ， 刀 ， 2 0 个 网 格 ， 共 计 8 0 0 0 0个 网 格 。 瓦 斯 爆 炸 管 道 的数 值 模 型 如 图 2 所 示 。 50 0 一 m 图4管道 中有 障碍时的超压 一 时 间 曲线 图 5 为 不 同的障 碍物 阻赛 比时测点 3 的压力 － 时问 曲线。 图 6 是 障 碍 物 阻塞 比丁 同 时， 管道 不 同 长 径 比处 的峰值 超 压对 比 图。 可 以看 出， 阻 塞 比对 瓦斯 爆 炸峰值 超 压有 重 要 影 响， 峰值 超 压 随 着 阻 塞 比的增 加而增 加。 当 阻 塞 比为0 8时， 产 生 的 最 大 峰 值超 压力457 2 k Pa 。 当阻塞 比为 0 2时， 产生 的 最 大峰 值超 压仅 有从Ik Pa 。 这是 由 于随着 阻塞 比 的增加， 气 流的运 动受 阻， 使 部分动 能 转换成 压力 势 能从 而导致 峰值 超压 升曾 ” 图 2管 道 的数 值 模 型 分 别 对 甲烷 浓 度 力 7．6％ 、 95％和 12 35％ 3 种 情 况 进 行 数 值 分 析 。 本 文 中， 。 为 甲 烷 － 空 气 混 和 物 中 甲 烷 的 实 际 浓 度 与 化 学 计 量 比 浓 度之 比。 图 7 和 图 8分 别 是在 无 障 碍 物 和 障 碍 物阻 赛 比 为 0 5 3数值 结 果及 分析 图 3 和 图 耳 分 别 给 出 了 甲 烷 浓 度 为 95％时 ， 管 道 中元 障 碍 物 和 有 平 板 障 碍 物（ 阻塞 比 为 0 5） g M 一 煤 矿 安 全（ZI XB0 1） 7 2 50 栅 z o o 互3t o 三 匕 0 窒 。 襄11 11 50 0 0 6 0m 伽 忒 ” JOm刀 246 吕JO LI D 图 5下 同 的 阻塞 比时 测 点 3 的 超压 ～时 间 曲线 日吕管道 中 有 障碍物时丁同瓦斯浓度下 的超压 一长径 比曲线 o 0 0 0 2 42 3 k Pa 和 16 2 k Pa。 这 表 明，在 有 障 碍 物 存 在 时 ， 甲 烷浓 度 的 变 化 对 峰值 超 压 具 有重 要 影 响 。 4m 宣 石 ’ ” 结沦 4 闺 Zt o （ 1）障 碍 物 对 瓦 斯 爆 炸 过 程 中 超 压 发 展 具 有 重 要 影 响。 当 有 障 碍 物 存 在 时 ， 峰 值 超 压 会 显 著 增 加 ， 且 峰 值 超 压 随 着 障 碍 物 阻 塞 比 的 增 加 而 增 加。 当 阻 塞 比 从 0 2 增 加 到 0． 8 时 ， 峰 值 超 压 从 2 91 k Pa 增 加 到 457 ． 2 k Pa， 提 高 了 约 15 倍 。 11 叫246盘 11 LI D 图 6下 同 的 阻 塞 比 时 超 压 －长 径 比 曲 线 （2） 在元 障碍 物 的情 况 下，甲烷 浓 度 的 变化 对 爆 炸峰 值超压 的影 响并 不 十分显 著。 在 障碍物 存在 的情况 下， 甲烷浓 度 的 变 化对 峰值 超 压 具 有 重要 影 响。 当 。值 分另 口 为 队 入至和 豆3 时， 得到 的最大 峰 值 超压 分另 Q 为 43． 4 、 2 42． 3 和 16 ． 2 k Pa 。 三 0 2 5 至 2 0 乡考 文献 旨15 门〕林柏泉凋 世宁， 张仁贵． 障碍 物对 瓦斯爆 炸过程 中火 焰和爆炸波 的影 响 （1） 中 国矿业 大 学学 报． l o p ， 2 8 口 ） 10 4 － l （y 10 0 62琢忍6I c ［2 ］ Ce n t u r y h o s a n d T NO 、 A u t o Re a 尬 IT h e q M a t l l l a L T h e I t h e r a f o r e So n w a r e f o r Re a Ct i r e G a s D y n a l n f o r a n d Bb e A n a l y a i 墓 ， Zb o Z LI D 图7管道中元障碍时不同瓦斯浓度下 的超压 － 长径 比曲 线 ＊卢捷， 宁建 国， 王咸， 等 煤 气 火焰 传播 规津及 其 加速机理 研 究〔 JJ ． 爆 炸 与 冲 击。 2 0 0 ’x， 2 4（4 ）岿历 － 0 5的 情 况 丁 ， 在 甲烷 浓 度 不 同 时，管 道 不 同 长 径 比 处 的 峰 值 超 压 对 比 图。 可 以 看 出 ， 在 没 有 障 碍 物 的 情 况 下 ， 当 。 值 分 别 为 0 8 、 回和 l ． 3 时 ， 得 到 的 最 大 峰 值 超 压 分 别 为 2 7 4 k Pa、 2 9． Ik Pa和 2 8 6 k Pa。 甲 烷 浓 度 的 变 化 对 爆 炸 峰 值 超 压 的 影 响 并 不 十 分 显 著。 在 障 碍 物 存 在 的 情 况 下 ， 当 O值 分 别 为 0 8 、 l 和 互 ． 3 时 ， 得 到 的 最 大 峰值 超 压 分 别 为 43 4 k Pa， 引1 （ 收 稿 日期 ZIF’’ － 们－ 0 7 ； 责 任 编 辑 王 福 厚）