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瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中传播特性的数值模拟

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第17卷 3期 2011年6川 燃烧科学 技术 Vo1.1 7 NO.3 Jun.20l1 Journal of Combustion Science and Technology 瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中传播特性的数值模拟 江丙友 ,林柏泉 ,朱传杰 一,翟 成 ,一,李子文 , (1.巾 矿业大学安伞r 学院,徐州2211l6; 2.中 矿业大学煤炭资源卜了安伞开采 家重点实验室,徐州221008) 摘 要:运用AutoReaGas软什模拟r煤矿 下掘进 作 发牛瓦斯爆炸时冲 f 波向临近采煤 f1: 的传播规 律.研究结果表明:冲 f 波在巷道 f,传播时,超 峰值千【l最高温度不断减小,钊 风巷交叉门时,两条卡} 传播的 I冲。 波产 叠加效应,使超JIi和温度明显增大;最高温度沿着巷道的变化规律 j 爪峰值基小相问,两个 联采煤 I 作 对嘘测点的超 峰值和最I岛温度基本相同.在冲击波叠加的分 I 1附近是破坏较严重的 域, 预防措施,减少瓦斯爆炸带来的拟失. 录取相府的 关键词:l丸斯爆炸;ffff击波;并联巷道;数值模拟 中图分类号:TD712.7 文献标志码:A 文章编号:1006—8740(2011)03—0250—05 Numerical Simulation on Shock Wave Propagation Characteristics of Gas Explosion in Parallel Roadway JIANG Bing—you .LIN Bai—quan ,ZHU Chuan-jie ,zHAI Cheng。‘ ,LI Zi—wen。’一 (1.Schoo1 of Salty Engineering.China University of Mining and Technology,Xuzhou 22 1 I1 6,China 2.State Key Laboratory ofCoa1 Resources and Safe Mining.China University of 1 1 1 1 I’ 1 1 1 1 Mining and Technology,Xuzhou 22 l 008,China) Abstract:Propagation laws of shock wave to adjacent coal face were simulated by AutoReaGas software when gas explosion occu ̄ed in underground heading face of coal mine.The results show that peak overpressure and maximum temperature are decreased continuously as shock waves propagate in the roadway.At the intersection of return airways.the two shock waves of face—to—face propagation can flOn11 superposition effect,and then peak overpressure and maximum temperature are increased significantly.The change law of maximum temperature along roadway is the same as peak overpressure.Peak overpressures and maximum temperatures in corresponding points of two parallel coalfaces are almost the same.Some relevant preventive measures can be taken to reduce the loss caused by gas explo— sion near the bifurcation port where is destroyed seriously because ofthe superposition ofshock waves. Keywords:gas explosion;shock wave;parallel roadway;numerical simulation 掘进T作面发生瓦斯爆炸,冲 波沿着 下山向 内外有关煤矿瓦斯爆炸的研究成果基本l 都是把 巷道假设成一维直管路进行研究取得的,对并联巷道 中瓦斯爆炸传播特性的研究鲜有报道. I=E1 rqPb ̄关研究现状中,林柏泉、翟成等 研究 了管道分 、拐弯埘瓦斯爆炸传播特忡的影响,研究 前传播,当遇到走向方向的两采煤T作面的进风巷或 回风巷时,冲击波即沿着进【旦J风巷进入采煤 作而, 最后在 下山处两个采煤T作面的冲击波发生汇聚 叠加,形成煤矿井下典型的并联巷道网络系统.以前 收稿日期:20l 1—01—05. 基金项目: 家重点基础研究发展计划(973计划)资助坝H(201 1CB2{}I205);H家¨然利 艇金青‘I 坫金资助』州j(50804048); 竹 科学 技术『l 家重点实验窜Jt:放基金资助项『1(KFJJ10-19M). 作者简介:汀内友(1987一 ), ,博卜研究牛,cumtjiangby 163 corn 通讯作者:林棚泉,Ibq21405@126 corn. 201 1年6月 江丙友等:瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中传播特性的数值模拟 表明,分岔增加了瓦斯爆炸的火焰传播速度,拐弯对 瓦斯爆炸传播特性的影响取决于抑制因素和激励因 素的综合作用.Bartknecht[51就空间几何形状和尺寸 对气体爆炸的影响进行了深入研究,火焰通过弯管 时l6J,南于气体受到扰动,火焰加速.Savenco[7l由实 验得出了空气冲击波经过巷道分岔和转弯时的衰减 系数. 国内外学者对巷道分岔的研究主要集中于冲击 波沿着分岔巷道向外传播的情况,而对于两条冲击波 相向传播并发生汇聚的研究较少.井下通风系统具 有串联和并联之分,而瓦斯爆炸通道必定也存在着串 联和并联情况,国内外学者对串联巷道的瓦斯爆炸特 性研究的较多,但对复杂的并联巷道网络特征研究的 较少.本文运用AutoReaGas软件对其进行数值分 析,以期揭示瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中的传播特 性,为煤矿井下瓦斯爆炸灾害防治提供理论指导. 1 冲击波传播动力学模型 J5乙斯爆燃传于沓过干呈在数字模型上[IJ以糗拟为理 想气体的受热膨胀过程,气体动力学过程可用质量守 恒、动量守恒、能量守恒及燃料质量分数来表示.在 笛卡尔张量表示法里分别为: 连续性方程 警+ ( (1) 动量守恒方程 ( )+妾( “ 一妾+ (2) 能量守恒方程 未( E)+-出 ̄3-(puE)= 3(J, 3E)一 .,.( p“ )+ 1+ (3) 燃料质量分数 ( )+妾( , =丢(厂fu ) 湍流是气体燃烧爆炸的重要因素,采用 £湍流 模型,湍流动能k方程为 ( +砉( 尼)=未 妻)+ 。, OZli一 一 _(5)j  湍流动能的耗散率s方程为 c +专c 杀c 考 + C'】 Obti— ㈦ c + 一 c + , 式中:P为密度; 为i坐标方向上的粒子速度;p为 静压;E为比内能,E=CvT+mfuH ̄;k为湍流动能;s 为湍流动能的耗散率;mfu为燃料质量分数; = C ̄oke/e为湍流黏度;Rfu为体积燃烧速率;Cv为定容 比热;T为温度; 为燃烧热;厂为输运特性的湍流 耗散系数; 为克罗内克算子;i√为坐标方向;C 、 、 为湍流模型常数. 湍流强度 和湍流特征尺寸 可由k、s表 示为 √ 湍流燃烧速度与湍流参数及混合物特性参数的 关系为 S.=1.8ut0.412zt0.196S10.784v (7) 式中:st为湍流燃烧速度,m/s;Si为层流燃烧速度, m/s; 为混合物的运动黏度,m /s. 2数值模型 模拟的瓦斯爆炸并联巷道由截面为80mm× 80mm的方管组成,总长7.32m,总宽1.32m,高 0.08 m,具体尺寸见图1.点火端设置在D点处,用 于模拟煤矿井下掘进工作面发生瓦斯爆炸时,爆炸产 生的冲击波在两个邻近采煤工作面中的传播特性. 数值模拟采用20世纪90年代,英国Century Dynamics公司和荷兰TNO联合开发的模拟气体爆 炸的专用软件包AutoReaGas,该软件是一个三维气 体爆炸和冲击效应的计算流体力学分析软件,并已得 到广泛的验证,其利用有限体积法求解Navier.Stokes 和Euler差分方程,可用于分析预混气体的燃烧、爆 炸和冲击效应. ・252・ 燃 烧 科 学 与 技 术 第17卷第3期 、 lo oⅢ 0 O-3-r  0 o 巨OI 0 \ l^ 掘/ 进头 \ } 10 \ n,  m\. l l o lll o o o m 7. 一 ‘ “\ / l正0 n T 2 T 4 , 6 m 8 T¨ f o o o o1 .o o o o o o1 . O O =:I w L lIo /进风巷 回风巷  \ 。I 』 m T ‘ l Il2dll O O — I J J J o o 采面2 L J !I I-d ol 图1并联巷道的物理模型(单位:e,m) 几何模型各壁面均封闭,壁面光滑.爆炸气体为 甲烷和空气的混合气体,甲烷体积分数为10%,均匀 分布,瓦斯气体充满整个并联巷道.在距离点火端不 同位置处依次布置了39个测点(测点布置见图1), 各测点均位于巷道横截面的中心,用来监测瓦斯爆炸 过程中产生的超压、密度、温度、气流速度和燃烧速 3.1 冲击波超压的变化规律 3数值计算结果及分析 图3给出了各测点的爆炸冲击波超压随H@IN的 变化曲线.由罔可见在爆炸初期超压曲线比较平缓, 率等参数.在X、Y、z方向上分别划分了100、50、4个 网格,共计20 000个网格,保证了计算精度,该并联 巷道的网格划分如图2所示. 各临近测点升压几乎同步,这说明此时尚未形成明显 的冲击波.在远距离测点上,压力曲线明显陡峭,测 点间存在着压力传播的现象. 图4为各测点的最大爆炸趟压 ,爆炸初期测 点1的超压峰值为1.021 MPa,冲击波沿着七下山到达 第1个分岔r_j(测点4)时超压峰值为0.984 MPa,超 压峰值不断衰减,但衰减幅度较小.爆炸冲击波遇到 巷道分岔和断面扩大时均会发生衰减 J.分岔¨町以 图2并联巷道的网格划分 看成巷道突然扩大和遇到障碍物的双重作用…,巷道 出 图3冲击波超压.时间曲线 201 1年6月 江丙友等:瓦斯爆炸冲击波在并联巷道中传播特性的数值模拟 的扩大导致气体发生膨胀而使超压衰减【8】,遇到障碍 物又使超压升高I9 ,但是障碍物的作用小于巷道扩 大对超压的影响,故分岔时超压发生衰减,但衰减的 幅度已大大降低,从测点1到测点4仅降低了 0.037 MPa. 经过第1个分岔口后,冲击波由进风巷向采煤工 作面传播,在传播过程中超压不断衰减,到达采煤工 作面拐角处时,由于拐角处气体发生膨胀以及需要克 服巷道表面摩擦阻力,使得瓦斯爆炸产生的冲击波继 续衰减,但拐角处的后壁反射减缓了冲击波的衰减, 使得超压峰值在测点16和29时为0.745 776 MPa和 0.691 559 MPa,衰减幅度较小,测点28的最低超压 0.69 MPa与初始测点l的超压峰值1.021 MPa相差 较小,即说明了并联巷道中后壁反射现象的存在. 图4超压峰值的变化曲线 当两个采面的冲击波到达回风巷的交叉口时,两 条相向传播的冲击波发生叠加使超压峰值明显增大, 增大到测点17的0.751 MPa.从测点l7到测点30 同样是由于分岔的作用使超压衰减,但是很快超压迅 速上升,升高到测点39的1.2l MPa,这是由于闭口 终端反射造成的. 从图4中还可以看出采面1与采面2在对应测 点得到的超压峰值基本相同,冲击波超压峰值的变化 规律相同. 3_2混合气体温度的变化规律 图5为各测点混合气体温度随时间的变化曲线, 从图中看出,0.02 S之前气体温度变化很缓慢,维持 在常温288 K左右,一段时间之后温度均上升到 2 000 K,最高温度可达2 500 K,各测点的温度具有 明显的传递作用,从图中(a)(b)对比发现,两个采煤 工作面的温度变化规律基本相同. 图6为各测点计算的最高温度,爆炸初始测点l 的最高温度为2 671.64 K,随着超压的衰减,最高温 度不断降低,经过第1个分岔口时最高温度降低到 2 457.46 K,由于后壁反射的存在,压缩气体造成温 度下降的幅度减小.经过第2个采面拐角处,最高温 度有所回升,这是由于后壁的反射作用大于超压衰减 的作用.当到达回风巷交叉口时,温度由于两条冲击 波发生叠加而增大,然后又因为分岔的作用导致温度 下降到测点32的2 128.46 K,该值与初始测点1的 温度2 671.64 K相差较小,说明了并联巷道中后壁反 射现象的存在.从测点32起温度逐渐升高,一直增 加到测点39的2467.16K.测点39达到最高温度的 时刻为0.051 107 2 S,而该点超压取得峰值的时问为 0.051 186 3 S,两时刻非常接近,但比最高温度时间晚 一点,说明冲击波第一次经过测点39时超压尚未达 到峰值,通过闭口终端形成反射波后再一次经过该测 点时超压才达到峰值,该时刻与最高温度取得的时间 基本相同.反射波造成的反向气流使火焰逐渐熄灭, 导致该点的最高温度较小,低于初始端口时的温度, 而超压峰值却由于反射作用高于初始端口的超压. (a)采面1 (b)采面2 图5混合气体温度.时间曲线 图6最高温度的变化曲线 ・254・ 燃 烧 科 学 与 技 术 第17卷第3期 从陶6可以看出最 高温度沿着并联巷道的变化 Procedia Earth and Planetary Science,2009,1 l1j: 316—321. 规律与冲击波超压峰值的变化规律相同.采面1与 采面2在耐心测点得到的最高温度基本相同. [4] Zhu ChuaNie,Lin Baiquan,Lu Zhenguo,et a1.Ex— 4结论 (I)冲击波在并联巷道中传播时,超压峰值和最 高温度不断减小,分岔口和拐弯处的后壁反射使冲击 波衰减的幅度降低,到回风巷交叉【_f时,两个采煤lT 作面的冲击波产生叠加效应,使超压由0.691 559 MPa和0.745 776 MPa增大到0.750 853 MPa,而温 度南2 191.99 K和2 248.75 K增大到2 264.32 K,增 加幅度较为明显. (2)最高温度沿着并联巷道的变化规律与冲击 波超压峰值基本相同,均呈现着先减小后由于叠加效 应而增大的变化规律,它们共同反映了冲击波在并联 巷道中的传播特性. (3)两个并联采煤r作面对应测点的超压峰值 和最高温度相差较小,变化规律基本一致,冲击波通 过两采面时的传播特性基本相同. (4)冲击波在并联巷道中的传播规律与煤矿井 下掘进 作面发生瓦斯爆炸时冲击波向临近两个采 煤1一作面的传播规律相似,在煤矿瓦斯爆炸叠加的分 岔几附近超压峰值和最高温度明显增大,它是爆炸破 坏较严重的区域,应采取相应的预防措施,减少瓦斯 爆炸带来的损失. 参考文献: [1]林柏泉,叶青,翟成,等瓦斯爆炸在分岔管道 中的传播规律及分析[J].煤炭学报,2008,33(2): 136—1 39. Lin Baiquan,Ye Qing,Zhai Cheng,et a1.The propa— gation rule of methane explosion in bifurcation duct[J]. Journal China Coal Socie ,2008,33(2):136— 139(in Chinese). 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