管道壁面特性对瓦斯爆炸传播的影响

管道壁面特性对瓦斯爆炸传播的影响1林柏泉，叶青，菅从光中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州（221008）摘要：通过实验研究了管道壁面特性对管内瓦斯爆炸传播的影响，并对实验结果进行了理论分析。

研究结果表明：壁面粗糙度对瓦斯爆炸传播的影响非常大，相比光滑管道，粗糙管内瓦斯爆炸传播过程中的火焰速度、峰值超压等物理参数均有大幅提高；同时壁面导热性对瓦斯爆炸传播有较大影响，内贴绝热材料对瓦斯爆炸火焰加速明显，爆炸波强度增幅很大，并可诱导激波的产生。

研究结果对防治瓦斯爆炸传播具有指导作用。

关键词：冲击波，爆炸，粗糙，导热性0. 序言随着开采深度的进一步加深，地应力、瓦斯压力急剧增大，瓦斯涌出量急剧增加，以致瓦斯积聚和超限的地方增多；高强度机械化采掘和集约化生产，以致自然灾害的威胁更加严重；大功率采煤机、掘进机和胶带运输机等机电设备摩擦产生火花引燃瓦斯爆炸的潜在危险性增大，以致瓦斯爆炸发生的概率增大。

鉴于瓦斯爆炸事故对我国煤矿安全生产造成的严重威胁，而且在今后相当长的时间内，我国仍然要以煤炭资源为主要能源。

所以无论从煤矿安全生产成本、煤矿安全管理、煤矿安全监察、社会效应等角度来看，都有必要进行瓦斯爆炸及其影响因素的研究，以便为瓦斯爆炸灾害防治和控制提供理论、技术上的指导。

1. 壁面特性对瓦斯爆炸传播影响的分析矿井瓦斯爆炸传播过程中，受到许多因素的影响[1]，比如，瓦斯浓度、火源、巷道长度及几何构造、巷道壁面特性、障碍物、气体粘性等，而巷道壁面特性又包括粗糙程度和导热性。

基于本次的研究内容，笔者进行了管内瓦斯爆炸实验研究，期望得出壁面特性对瓦斯爆炸传播的影响。

1.1粗糙度影响分析管内瓦斯爆炸传播过程中，燃烧产物的焓、内能急剧增大，体积急速膨胀做功，一方面使得燃烧区充满整个管道截面，另一方面又使得燃烧区高速向前移动。

对于燃烧区来讲，不仅其宏观移动速度很快，而且其微观脉动也非常强烈，所以在壁面附近的区域里面，粘性底层变得非常薄，壁面粗糙层的凹凸不平完全暴露在湍流核心区，这将对瓦斯爆炸的传播产生明显的影响。

在以前的瓦斯爆炸实验研究中，瓦斯爆炸管道往往被认为是光滑的，没有考虑表面粗糙层对瓦斯爆炸传播过程的影响，这就使得瓦斯爆炸实验管道与矿井巷道实际情况不符、造成瓦斯爆炸的实验结果和矿井巷道实际情况存在着较大的偏差。

因为在实际矿井生产中，巷道壁面是凹凸不平、非常粗糙的，通常为了坚固巷道壁面，还需要在壁面上喷涂颗粒度较大的砂砾混合物，一般情况下，此类粗糙壁面的绝对粗糙高度在0.8mm到20mm之间[2]。

所以必须对壁面粗糙度影响瓦斯爆炸的规律进行研究。

1.2导热性影响分析1本课题得到国家重点基础研究发展计划（2005cb221506）,高等学校博士点专项科研基金(20030290013)和国家自然科学基金项目(50534090，50574093)的资助。

在瓦斯爆炸过程中，火焰的传播是通过与火焰阵面的热、质交换使未燃瓦斯混合气体进行化学反应，从而使火焰不断向前推进。

在管内瓦斯爆炸过程中，由于炽热高温燃烧产物与管壁间存有较大温差，爆炸释热中一部分传向了壁面，相应地减少了由热传导、扩散、辐射方式向未反应混合气体的传热量，从而在一定程度上影响了火焰传播速度，减弱了爆炸强度。

因此，壁面的散热损失对管内瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的传播特性有影响。

在以往的大多数实验中，为了安全起见，往往都采用耐压值较高、壁厚较大的钢质管道。

但同时钢质管道良好的导热性能以及因较大壁厚所带来的较高的热容量使得壁面热损失更为明显。

相反，井下巷道的壁面导热性能较差，壁面热损失对瓦斯爆炸影响不大。

因此，在实验室中所得出的实验结果与实际情况存在着一定的差距，为了能够将现有的研究成果更好地应用到矿井实际安全生产中去，必须研究壁面热效应对瓦斯爆炸传播过程的影响。

2. 实验系统及方法实验系统及方法见文献[3]。

3. 实验结果及分析3.1粗糙度实验结果不同粗糙度时的火焰传播速度和爆炸波超压值如图1、2所示。

图1.不同粗糙度时的火焰传播速度图2. 不同粗糙度时的爆炸波超压值由图1可以看出，壁面粗糙度对火焰速度的影响很明显。

在第一个火焰测点（L/D＝9）处，光滑管的火焰速度为1.51m/s，1mm粗糙管的火焰速度为46.0318m/s，2mm到8mm粗糙管在该点的火焰速度值均在50m/s~56m/s之间，与光滑管工况相比，增幅在33~37倍之间。

随着火焰传播过程的进行，速度增长幅度不断增大。

在测点L/D＝28处，各种工况的火焰传播速度达到峰值。

光滑管为5.48m/s，1mm粗糙管为111.255m/s，2mm粗糙管时则达到275.1m/s，4mm粗糙管在该点的火焰传播速度最高，为580.26m/s，其余粗糙管在该点的火焰传播速度也都在300m/s左右，速度增长的最大幅值为105.8倍，平均幅值为58倍。

图2显示了壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程压力波的影响。

从图2可以看出，在第一个压力测点（L/D＝9）处，光滑管的超压值为0.31072×105Pa，1mm粗糙管为0.4213×105Pa，2mm 粗糙管为0.541875×105Pa，4mm粗糙管时最大，为0.707925×105Pa，增幅为1.28倍。

其余工况在该点的压力波超压值均大于0.54×105Pa。

随着瓦斯爆炸过程的进行，各工况的压力波超压不断增大。

同时，与光滑管相比，超压值的增幅也越来越大。

在最后一个压力测点处（L/D ＝47），各种工况的压力波超压达到峰值。

光滑管的压力波峰值为0.641133×105Pa，1mm粗糙管时为1.042325×105Pa，2mm粗糙管时为3.489467×105Pa，4mm粗糙管时峰值超压最大，为5.08395×105Pa，其余工况的峰值超压均在3×105Pa以上。

从增幅来看，1mm粗糙管在该点超压增大值为光滑管在该点峰值超压的1.6倍；2mm粗糙管时为5.4倍；4mm时最大，为7.9倍；平均峰值超压为光滑管的4.6倍。

以上分析可以得出，壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程的影响是非常大的。

1）壁面粗糙度影响瓦斯爆炸的理论分析管道瓦斯爆炸过程中，燃烧所产生的已燃气体产物体积急剧膨胀形成压缩波。

在压缩波的推动下，使得未燃气体沿管道向前传播。

根据气体动力学理论可知，在压缩波的作用下，火焰阵面前方未燃气体被加热，使得传播速度增加，此时产生的压缩波波速比最初的压缩波波速快。

这样后面产生的压力波一定会追赶上最初产生的压缩波，产生超压值和传播速度更大的压缩波。

可以看出，爆炸过程中火焰面、压缩波以及传播速度是持续增大的，而且受到管道形状的限制，燃烧区产生的高压使得火焰、气体充满整个管道截面，以活塞式的运动向前加速传播。

燃烧区的向前流动传播处于较高宏观速度并且微观脉动非常强烈的湍流状态，从流体力学理论及相关的研究成果[4-7]可知，管道的壁面粗糙度对该状态下的湍流运动的影响是非常明显的，而且有其自身的规律性。

为了简化该问题，着重研究壁面粗糙度对湍流流动特性的影响，暂不考虑化学反应，建立如下的流动模型[7]：管道为当量直径D 、内表面粗糙的、横截面为正方形的直管，其内表面的表面粗糙度e 定义为实际内半径相对于内半径2D 偏差的绝对值的平均值，流体密度为ρ，粘度系数为μ，平均流速为U 。

流体在管道中流过长为l 的一端距离所产生的压降p Δ依赖如下的无量纲待定函数关系式：⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ΔD e D l f p ,Re,2ρ (5-1) 式中，Re 为管道平均雷诺数。

由于流动状态是湍流，所以，U 与p Δ的涵义均为时均量，并且在湍流状态下，压降与距离成正比，所以上述函数关系式可写成⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ΔD e f D l U p Re,12ρ (5-2) 其中1f 为待定的函数关系式。

定义达西摩擦因子221221U l D p U D l p ⋅⋅⋅Δ=Δ=ρρλ (5-3) 同上式比较可知，⎟⎠⎞⎜⎝⎛=D e f Re,21λ (5-4) 该方程表示达西摩擦因子λ是雷诺数和管壁相对粗糙度的函数。

从上述模型可知，粗糙管道湍流的达西摩擦因子不仅受雷诺数的影响，而且还依赖于管道内壁的相对粗糙度D e /。

国外学者J.尼库拉德赛做了大量的实验来研究达西摩擦因子λ与相对粗糙度和雷诺数之间的函数关系[7]。

由流体力学理论可知，若管内为湍流流动，当Re 不太大时，λ仍遵循层流状态曲线，说明此时的壁面粗糙度对流动没有产生影响。

随着Re 的增大，壁面粗糙度的影响越来越明显，在相同Re 数值时的λ值也越大。

当Re 很大时，壁面粗糙度越大，则λ曲线达到水平的Re 就越小。

产生上述现象的主要原因是在管道壁面附近存在着一个粘性底层δ，当δ<e 时，壁面粗糙层淹没在粘性底层中，对流动不产生影响。

当Re 较大时，湍流的核心区朝壁面附近扩展，使粘性底层变薄，e 超过δ，壁面粗糙度的突起开始进入湍流核心区影响湍流流动。

随着Re 的继续增大，尤其当Re 很高时，粘性底层的高度就变得很低，壁面粗糙层几乎全部暴露在湍流核心区中，在核心区内，流体几乎是直接撞击壁面上粗糙层的凸起。

由贝努利方程可知，此时流动阻力主要不是由沿壁面的切向摩擦力带来的，而是来自流动界面上的压差，该压差阻力与来流动能成正比。

由上述分析可知，在瓦斯爆炸过程中，由于流动速度非常快，壁面粗糙度则完全暴露在湍流核心区，粗糙壁面能够在较大程度上增大燃烧区的湍流度，加快化学反应速率，可以预见这对燃烧区传播的影响将是很明显的。

同时，如上所述，在此状态下，流动的阻力主要来自于流动截面上的压差，而且正比于来流动能。

这说明在压力波和流动动能都比较大的瓦斯爆炸过程中，壁面粗糙度所带来的阻力值也是比较大的。

总的来看，管道壁面的粗糙度会对高速传播的火焰区产生如下影响：一方面，管道的壁面粗糙层引入了抑制因素，即摩擦阻力，而且几何粗糙度越大，产生的管道总阻力值也就越大；另一方面，管道的壁面粗糙层也同时引入了激励因素。

因为瓦斯爆炸过程是一个化学性爆炸，在传播过程中燃烧区内所发生的是复杂的连锁化学反应[8]，燃烧区内部湍流程度的提高或增强都有助于在分子级别上增加化学反应物的接触几率，表现在宏观上就是提高化学反应速率，加速燃烧速度，并伴随着复杂的热、光、声等能量的转换。

所以，总的来看壁面粗糙度的存在既引入了较大的总阻力，同时也因为增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动反应进行和加速传播。

所以，壁面粗糙度对瓦斯爆炸传播过程的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用。

3.2导热性实验结果图3—6为各测点爆炸火焰和压力波变化关系曲线。

从图中可以看出在管道内壁贴绝热层对瓦斯爆炸过程的火焰速度和压力波均有较大的影响，而且内贴绝热层对瓦斯爆炸过程的初始阶段和峰值点以及爆炸全过程都有着较大的影响。