湍流状态下甲烷爆炸特性的实验研究

　　煤矿井下瓦斯爆炸事故是最为严重的矿井灾害之一，为了预防和控制矿井瓦斯爆炸，国内外学者对瓦斯爆炸特性进行了大量的研究，取得的研究成果多是基于宏观静止状态下的瓦斯气体爆炸。但是，煤矿井下大量瓦斯集中喷出或涌出时，释放到井巷风流中，由于浓度梯度和风流脉动作用在风流中逐渐扩散稀释，被风流携带而流动 [1]。所以，研究流动气体爆炸问题具有重要的实际应用价值。H.W.Emmons 等[2]推算过拟动态条件下爆炸的管道出口压力；陈爱平[3]研究了管道内流动气体流动阻碍作用和流量对爆炸特性的影响；王宝兴[4]研究了通风对强瓦斯爆炸的作用。湍流是井下气体最常见的流动状态，尤其在瓦斯爆炸过程中，由于爆炸激波受巷道内障碍物及巷道尺寸变化等因素的诱导可产生强烈的湍流。为此，本文利用20L 近球形气体爆炸反应装置，测试甲烷在宏观静止和湍流两种状态下的爆炸极限、爆炸压力、爆炸压力上升速率及爆炸压力峰值时间等基本参数，分析湍流对甲烷爆炸特性的影响，可为有效防治矿井瓦斯爆炸灾害提供一定的指导。

　　1 实验概述

　　1.1 实验系统的构成

　　实验系统主要由20L 爆炸反应罐、配气系统、点火系统及测量系统四部分组成，其具体构成如图1 所示。

 

　　爆炸反应罐容积约20L，最大内径30cm，内部空间高35cm；压力传感器响应时间1ms，量程为0~1MPa，精度为0.3%F.S；精密数字压力计量程为0~±101.3 KPa，分辨率为0.01Kpa；储气罐容积0.6L；储气罐压力表量程为0~4MPa，精度为0.4；点火源为能量约1 焦耳的电起爆烟火点火具，点火位置在反应罐中心。测试过程中，储气罐高压空气的释放、点火及爆炸压力测量是由电脑通过控制器进行控制的。电磁阀开启后，储气罐高压空气充入反应罐，经历预设的延迟时间后，点火电极自动引爆点火具进行起爆，同时压力传感器进行数据采集（采集时间0~500ms），并保存至计算机。

　　1.2 实验方法及条件

　　实验参照GB/T 12474-90《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》，利用渐近法测试甲烷在空气中的爆炸极限，爆炸判据参考美国标准材料实验协会（ASTM）所确定的实验判据，即点火后实验压力升高7%或以上。参照GB803-89《空气中可燃气体爆炸指数的测定》，对甲烷爆炸压力、爆炸压力上升速率及爆炸压力峰值时间等参数进行测试。实验中烷-空混合气体采用分压法在爆炸反应罐内进行配制。实验在烷-空混合气体处于宏观静止和湍流两种状态下进行上述参数的测试，气体流动状态的改变是在配制混合气体时通过储气罐高压空气的释放来实现的。本实验点火延迟时间设定为500ms，通过高压空气释放前储气罐压力表征点火时混合气体的湍流程度。实验室环境温度为 14.6~21℃，湿度为54~74％RH，爆炸初始压力为常压。

　　2 实验结果及分析

　　2.1 甲烷爆炸极限

　　在烷-空混合气体处于宏观静止和湍流两种状态下测试甲烷的爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL），结果见表1。实验测得宏观静止状态甲烷的爆炸极限为5.35%~17.35%。标准装置测定甲烷的爆炸极限为5%~14%[5]。可见在20L 近球形气体爆炸反应装置中测试的甲烷爆炸下限同标准装置的测试结果基本一致，上限偏高。这是反应容器材质、形状和尺寸等影响因素综合作用的结果，主要原因是近球形爆炸反应罐截面尺寸大，反应中的游离基碰撞器壁丧失活性的机会减少，反应速率增大，反应时间缩短，热损失减少，最终导致混合气爆炸极限范围增大。

 

　　由表 1 可见，宏观静止和湍流状态下甲烷在空气中的爆炸极限基本一致，说明甲烷的爆炸极限受其流动状态的影响不大。

　　2.2 甲烷爆炸压力相关参数

　　对甲烷浓度为6%至16%的烷-空混合气体在宏观静止和湍流两种不同状态下进行了几百次爆炸压力测试，得出了甲烷各浓度爆炸压力、爆炸压力上升速率等相关参数。湍流状态测试时，储气罐压力为1 MPa。

　　（1）爆炸压力。实验测得宏观静止状态甲烷平均最大爆炸压力Pmax 为0.778MPa，湍流状态Pmax 为0.818MPa。

 

 

　　图 2 为甲烷浓度C 为11%时，宏观静止和湍流状态烷-空混合气体爆炸压力曲线。由图可见，湍流状态的爆炸压力峰值和压力上升速率较宏观静止状态明显升高，达到峰值压力的时间较短，仅50ms。

　　图3 为宏观静止和湍流状态烷-空混合气体的爆炸压力Pm 随甲烷浓度C 变化的趋势曲线。由图可见，甲烷浓度为11%时爆炸超压峰值最大，此浓度为甲烷在20L 近球形爆炸反应罐中爆炸的最佳浓度。常见可燃气体和空气混合气体的最佳浓度为化学计量浓度的1.1~1.5 倍[6]。本测试结果符合该规律。图3 中湍流状态各浓度甲烷混合气体的爆炸压力Pm 较宏观静止状态均有所增大，其中甲烷浓度低于其爆炸最佳浓度时压力增幅基本一致，高于最佳浓度时压力增幅随浓度的增大而加大。基于以上分析，说明湍流可促使瓦斯爆炸压力增大，增强其爆炸威力。主要原因是由于湍流状态混合气体分子不规则脉动的扩散，加速反应物的混合，促进爆炸反应过程的传热传质，反应更加充分，释放的能量更多，而导致爆炸超压较高。

 
 

 

　　（2）爆炸压力上升速率。实验测得宏观静止状态甲烷平均最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max 为32.471MPa/s，湍流状态(dp/dt)max 为85.938MPa/s。两种状态下烷-空混合气体的爆炸压力上升速率(dp/dt)m 随甲烷浓度C 的变化情况见图4。由图可见，湍流状态各浓度甲烷混合气体的爆炸压力上升速率(dp/dt)m 较宏观静止状态明显增大，且甲烷浓度越接近其爆炸最佳浓度，爆炸压力上升速率受湍流的影响程度越大。同图3 对比可见，湍流对甲烷爆炸压力上升速率的影响较为显著。

　　爆炸压力上升速率(dp/dt)m 属于爆炸瞬时压力升速，爆炸压力峰值时间对应爆炸平均压力升速。湍流气体爆炸属于极为不稳定的激烈化学反应，考察整个过程的平均参数对其特性研究很有价值。图5 显示了宏观静止和湍流状态下烷-空混合气体的爆炸压力峰值时间随甲烷浓度变化的情况。由图可见，湍流状态各浓度甲烷混合气体的爆炸压力峰值时间tm 较宏观静止状态明显缩短，甲烷浓度越接近其爆炸最佳浓度缩短幅度越小。

　　基于以上分析，说明湍流可提高瓦斯爆炸压力上升速率，增强其爆炸激烈程度。主要原因是由于湍流状态混合气体分子不规则脉动，燃烧火焰面扭曲，已燃区和未燃区的接触面增加，加大了反应游离基和热量的运输，使反应物的质量消耗速率大大增加。

　　（3）湍流强度变化对爆炸的影响。由图3 可知较高浓度甲烷的爆炸压力受湍流的影响程度较大。为了清晰体现湍流强度变化对爆炸的影响规律，取甲烷浓度为16%，在高压空气储气罐压力Pair 为0.3、0.6 和1 MPa 产生的湍流状态下，对烷-空混合气体进行爆炸压力测试，见图6。由图可见，随着湍流强度不断增大，爆炸超压峰值升高，压力上升速率增大，到达压力

　　峰值时间缩短。所以，在同一瓦斯浓度下，混合气体湍流强度越大，瓦斯爆炸越猛烈，造成的事故后果也必然越严重。

　　3 结论

　　（1）甲烷的爆炸极限基本不受气体流动状态的影响。湍流状态烷-空混合气体爆炸压力和爆炸压力上升速率较宏观静止态明显增大，爆炸压力峰值时间明显缩短，其中爆炸压力上升速率受湍流影响较为显著。

　　（2）在甲烷爆炸极限范围内，浓度越高，爆炸压力受湍流的影响程度越大；越靠近甲烷爆炸最佳浓度，爆炸压力上升速率受湍流

　　的影响程度越大，爆炸压力峰值时间也明显缩短。

　　（3）同一浓度的烷-空混合气体，爆炸压力和爆炸压力上升速率随着湍流的加强而增大；爆炸压力峰值时间则缩短。

　　（4）煤矿井下气体的湍流程度越高，瓦斯爆炸强度越大。避免和减少井下气体湍流对降低矿井瓦斯爆炸强度具有积极意义。