高科，贾进章，刘永红
（1．辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁葫芦岛125105；
2．矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁葫芦岛125105）
摘要：在煤矿安全事故中，破坏程度最严重的事故之一就是瓦斯爆炸，而瓦斯爆炸冲击波及火焰锋面可能会二次点爆其他位置积聚瓦斯，加速火焰锋面及冲击波传播，并能产生更高的超压，造成更大的人员伤亡及财产损失。借助详细反应机理CRI Mech 3.0，基于开源化学动力学软件Cantera，研究冲击波强度、瓦斯体积分数和冲击波及高温耦合条件下对瓦斯爆炸特性的影响。结果显示，冲击波诱导瓦斯爆炸中，点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大现象，随冲击波强度的增大而降低；同时分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物质的浓度随瓦斯体积分数、冲击波强度和冲击波及高温耦合条件下的变化情况。
关键词：冲击波；高温；瓦斯爆炸；Cantera
0 引言
爆炸冲击波和火焰是巷道内瓦斯爆炸的基本特征，瓦斯爆炸后冲击波阵面和火焰阵面向另一端传播，前驱冲击波阵面明显快于火焰阵面，即造成两波三区结构。冲击波表现为一个高速运动的高温、高压及高密度的曲面，冲击波压缩改变了预混气体的热力学状态，诱导瓦斯的爆炸，炸药爆炸冲击波能引爆3 %~200/0甲烷气体，瓦斯引爆时间缩短，并且由冲击波引起爆炸后的数据变化比燃烧引起爆炸后的有关数据要大，而火焰为瓦斯与空气剧烈反应释放的光和热量，高温火焰能量对瓦斯爆炸特性产生非常大的影响，火焰诱导瓦斯爆炸机理相对较为成熟，集中于点火方式、点火能点爆瓦斯理论与实验研究上。冲击波与火焰高温都具有点爆瓦斯的能力，而前驱冲击波及火焰即使独自无法点爆瓦斯，前驱冲击波过后，预混瓦斯／空气被压缩，压力、温度会突然升高，火焰到达后也有点爆瓦斯的可能。历来都是以火焰或热粒子作为点爆瓦斯的主要因素，而从未将瓦斯爆炸冲击波置于点爆瓦斯或对点爆瓦斯起促进作用的位置上。鉴于此，基于详细反应机理CRI Mech 3.0，采用开源化学动力学软件Cantera研究冲击波强度、瓦斯体积分数和冲击波及高温耦合条件下对瓦斯爆炸的特性影响。
1 数值模型
基于详细反应机理GRI Mech 3．O，采用开源化学动力学软件Cantera对冲击波或冲击波及高温耦合诱导瓦斯爆炸的动力学特性进行研究。物理模型采用激波管，将激波管分为两部分，左侧部分为氩气高压区域，右侧为瓦斯／空气混合气低压区域，在两部分之间添加一个隔膜，当隔膜破裂后，左侧高压区域向右侧传播，并引起右侧瓦斯／空气混合气体温度和压力升高，当达到最小点火能时，点爆右侧瓦斯／空气混合气。物理模型如图1所示。
2 冲击波诱导瓦斯爆炸规律研究
首先研究瓦斯体积分数为10. 35%，瓦斯／空气混合物低压区域的压力为latm，初始温度为500 K，氩气高压区域的压力为8 MPa，初始温度为1 000 K，当隔膜破裂后，瓦斯／空气混合物压力和温度受冲击波影响逐渐上升，在6 ms后开始出现一个“平台”（如图2），这一平台持续时间7 ms左右，从压力图（图2b）可以看出，“平台”是因为两侧压力平衡，而后瓦斯在平衡压力和高温的影响下，经过一定的感应期，显示了压力的急剧上升，证明瓦斯发生了爆炸。
采用同样的方法模拟不同的瓦斯体积分数情况下瓦斯点爆特性（如图3、4）。在氩气高压区域在初始温度1 000 K和压力为8 MPa条件下，瓦斯体积分数低于4%时，不会被点爆，而点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大现象（如图4）。在瓦斯体积分数低于9. 5%时，二氧化碳体积分数增大，而瓦斯体积分数高于9.5 %时，产生的二氧化碳开始下降。瓦斯体积分数低于10%时，一氧化碳一直处于一个比较低的状态，当瓦斯体积分数超过10%后，一氧化碳体积分数骤然增大。在瓦斯体积分数低于5%时一氧化氮未产生，5%一12%时，一氧化氮体积分数先增大后减少至零(如图4)。
为研究冲击波强度对瓦斯点爆的特性研究，设置氩气高压区域冲击波强度为5、6、7、8、10 MPa，由图6可以看出，瓦斯／空气混合气的点火延迟时间随冲击波强度的增大而降低，呈负指数关系，二氧化碳随冲击波强度呈负指数降低，一氧化碳没有规律性，而一氧化氮呈非线性增大(如图7)。
3冲击波及高温耦合点爆瓦斯规律
在冲击波点爆瓦斯的数值计算基础上，已确定冲击波对不同浓度瓦斯的影响，可进行冲击波及高温火焰耦合诱导瓦斯爆炸规律研究。
设置冲击波强度不变，即氩气高压区域的初始压力为8 MPa，初始温度为1 000 K。改变右侧瓦斯／空气混合气体的初始温度。研究瓦斯在冲击波及高温耦合作用下的点爆特性。由图8可以看出，在冲击波及高温耦合条件下的点火延迟时间出现负指数变化趋势，而明显低于仅有高温点火条件的点火延迟时间。对于二氧化碳随着初始温度的升高，二氧化碳体积分数逐渐降低，而一氧化氮和一氧化碳却表现相反（如图9）。
4 结论
1)在氩气高压区域在初始温度1 000 K和压力为8MPa条件下，瓦斯体积分数低于4%时，不会被点爆，而点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大现象。分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物质的浓度随瓦斯体积分数的变化情况。
2)瓦斯／空气混合气的点火延迟时间与冲击波强度呈负指数关系，二氧化碳随冲击波强度增大而降低，一氧化碳没有规律性，而一氧化氮呈非线性增大。
3)在冲击波及高温耦合条件下的点火延迟时间出现负指数变化趋势，而明显低于仅有高温点火条件的点火延迟时间。对于二氧化碳随着初始温度的升高，二氧化碳体积分数逐渐降低，而一氧化氮和一氧化碳却表现相反。
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