刘雪岭1,张 奇2
(1.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003; 2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)
摘 要:采用自行设计的20 L长径比1∶1圆柱形透明有机玻璃罐、铸铁爆炸实验罐及对称式双喷头气动喷粉分散装置，研究了气动湍流强度、煤粉粒径及其爆炸特性，获得了不同实验条件下煤尘的爆炸特征参数,并给出了定量评价。实验结果表明在不同气动分散作用下，湍流均方根速度Urms测得1.1～6.2 m/s，平均湍流积分尺度在40～72 mm，雷诺数在8 000～16 300;爆炸超压峰值随湍流均方根速度呈线性增长，而爆炸超压上升速率Urms在1.1～3.5 m/s范围增速明显，Urms在3.5～6.2 m/s范围增速变缓。较大的湍流强度虽然具有加速煤粉与空气充分预混及自身反应，但同样导致对煤粉粒径间的传热传质效率下降;由最大有效燃烧速率理论计算与实验结果对比，也间接性的验证了实验结论的一致性。
关键词:煤粉;粒径大小;湍流特性;爆炸参数;最大有效燃烧速率
中图分类号:TD714.52
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-3137-08
LIU Xueling1,ZHANG Qi2
(1.School of Mining Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang 550003,China; 2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)
Abstract:The measurement of transient turbulent flow and coal dust explosion parameters were carried out in a 20 L cylindrical tank of transparent organic glass and an iron explosion experiment tank with two sets of pneumatic dispersed system,respectively.The turbulence characteristics and explosion parameters were studied under pneumatic pressures of 0.4-0.8 MPa.The results show that under different pneumatic pressures,the Urms is in the range of 1.1-6.2 m/s,the average turbulence integral scale is in the range of 40-72 mm,and Reynolds number is 8 000-16 300 in 100-250 ms.The explosion peak-pressure is linear in the range of 1.1-6.2 m/s and increases from 0.78 MPa to 1.17 MPa.The increase of the [dP/dt]max is obvious within a relative low velocity Urms of 1.1-3.5 m/s,and the increase of the [dP/dt]max is slowing down in Urms of 3.5-6.2 m/s.Although larger turbulence intensity accelerates the blend and reaction of coal dust with air fully,it can also lead to a decrease in the efficiency of heat transfer and mass transfer between coal powder particles.By using the theory of ueff,max,the result is consistent with the dynamic change trend of the explosion intensity.
Key words:coal dust;particle size;turbulence characteristics;explosive parameters;maximum effective burning velocity
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刘雪岭,张奇. 密闭空间煤粉气动分散湍流对爆炸参数的影响规律[J].煤炭学报,2018,43(11):3137-3144.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0099
LIU Xueling,ZHANG Qi.Influence of turbulence flow on explosion characteristics of coal dust in 20 L vessel[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3137-3144.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0099
收稿日期:2018-01-19
修回日期:2018-10-13
责任编辑:韩晋平
基金项目:黔科合支撑计划资助项目([2018]2790)
作者简介:刘雪岭(1972—)，男，山东德州人，副教授，博士研究生。E-mail:fanyanmusic@126.com
粉尘燃爆一直是学者关注的焦点[1-5]。欧洲科学院院士、著名粉尘爆炸专家ECKHOFF[6]认为:粉尘爆炸不仅与粉尘自身属性(如粒度、种类、形状)有关，还与粉尘悬浮浓度和流动状态有关，并呼吁粉尘爆炸领域加强粉尘云瞬态浓度和流动规律研究。近年来，大量学者在国际公认的20 L球形罐体进行了煤尘喷粉数值模拟与实验研究，并获得一定的成果。李庆钊等[7]在煤尘燃爆实验中发现不同煤质特性的爆炸特性存在显著差异。曹卫国等[8]研究了不同点火具质量对煤粉爆炸的影响，并得出了煤粉爆炸压力随着点火具质量的增加而增加。郭晶等[9]得出不同点火能量对煤粉爆炸行为的影响，并对CaCO3和Al(OH)3两种惰性介质的抑爆效果及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了对比研究。肖翠微[10]对不同挥发分煤尘进行燃爆实验，得出挥发分越高，最大爆炸指数越大，煤粉爆炸猛烈程度越大的结论。何琰儒[11]研究了3种煤粉粉尘粒径(26，73和115 μm)爆炸实验，并根据粉尘爆炸危险性分级标准给出了26 μm煤粉爆炸危险性等级为Ⅱ级，73 μm和115 μm煤粉爆炸危险性等级为Ⅰ级。王斌等[12]采用大能量静电点火对不同粒径的煤粉爆炸特性研究，获得随着点火能量的增大，爆炸压力、爆炸压力上升速率等爆炸参数逐渐增大，而当点火能量增大到一定值时，这些参数会趋于稳定。
在现实工业生产过程中，煤尘扬起或分散气动作用远低于实验要求，满足了粉尘云的形成，但实际颗粒间的团聚效应也需考虑;另外粉尘云的形成必要条件湍流场，加剧了氧气与颗粒燃烧及火焰的交互作用，将导致更为剧烈的爆炸。因此，深入研究不同煤尘气动分散特性及其爆炸特性，对工业生产过程煤尘爆炸事故灾害的预防具有科学价值。
笔者通过密闭实验空间20 L长径比1∶1圆柱形罐体，以微米(D50≈17 μm)无烟煤煤粉作为研究对象，考量粉尘分散特征，并进而研究不同湍流强度对煤粉爆炸参数的影响规律。
对于粉尘湍流、浓度、粒径测量装置，由20 L圆柱形长径比1∶1透明有机玻璃罐体、对称安装的两套气动喷粉分散装置、触发控制系统等组成，并分别应用自行研发的瞬态浓度与粒径测量系统[13-15]和湍流测量系统[16]进行测定。瞬态浓度与粒径测量系统包括:多波长激光发射单元与光照度传感器、接收信号转换单元、计算机数据接收系统(光学粒径及浓度检测系统软件)共同构成，如图1所示，其原理以三波长全散射探测法(消光法)而设计完成。云雾湍流测量系统包括:激光片光发生器、高速摄像系统、示踪粒子、同步触发控制系统、计算机数据储存与分析系统，如图2所示，其主要原理以粒子跟踪测速技术(PTV)为基础，并以多帧单脉冲方式捕捉粒子图像轨迹，实现粒子瞬态运动规律观测。而粉尘爆炸参数测量系统由20 L圆柱形长径比1∶1铸铁罐体、对称安装的两套气动喷雾分散装置、触发控制系统、连续可调火花放电点火系统、高速压力温度数据采集处理储存系统组成，实验系统如图3所示。
图1 瞬态浓度与粒径测量系统构成示意
Fig.1 Measurement system on concentration and particle size in structure diagram
图2 湍流测量系统构成示意
Fig.2 Hardware framework on the measurement system of turbulence intensity
图3 粉尘爆炸参数测量系统示意
Fig.3 Schematic diagram on mists explosion parameter experiment system
自行研发的粉尘分散系统在圆柱形罐体上对称安装两套气动喷粉分散装置，并安装改进的专用喷头，如图4所示。开孔方式首先以轴向开孔范围在0～45°，其后，仅在圆柱形罐径向进行拓展开孔(单个方向开口角度在60°以内)。实验验证表明，这样即可避免大量粉尘直接喷到桶壁发生损耗问题，并解决圆柱罐体内粉尘高速分散及均匀性问题。
图4 圆柱型罐喷头示意
Fig.4 Schematic diagram of nozzle on cylindrical vessel
1.2.1 煤粉本征粒径及分散特性
图5 煤粉SEM下粒径特征
Fig.5 SEM images of coal powders
实验选取了贵州省鲁中矿业无烟煤的煤种作为研究对象，经干燥、破碎至200 目(D90≈74 μm)制样，作为实验样品。首先通过扫描电子显微镜(SEM)对煤粉的本征粒径大小(个体实际粒径大小)特性进行分析，如图5所示，其块状平均特征直径D50约为17 μm。随后运用瞬态浓度和粒径测量系统,分别在0.4,0.6,0.8 MPa气动作用下，对煤粉进行气动分散特性实验测量，如图6所示。实验结果得到平均特征直径D50分别为18.25,17.85,17.56 μm，与其扫描电子显微镜(SEM)下微米铝粉的本征平均特征直径D50≈17 μm十分接近。即在0.4～0.8 MPa气动作用下，微米煤粉的团聚效应较弱，能充分达到分散的效果。
图6 微米煤粉不同气动分散粒径特征分布
Fig.6 Particle size distributions of Micro-aluminum under different dispersing air pressure
1.2.2 湍流实验条件及结果
选择气动压力0.4,0.6和0.8 MPa，进行20 L圆柱罐体湍流强度实验，实验条件见表1。
表1 瞬态粉尘湍流强度实验条件
Table 1 Turbulence intensity calibration experiment on transient mist field
利用瞬态粉尘湍流测试系统，对20 L圆柱罐体不同测试空间进行测量，激光片光设定为罐体不同位置的4个切分面。4个切分面包括:纵向5分切面(设定编号为1);横向5分切面(设定编号为2);横向2.5分切面(设定编号为3);横向7.5分切面(设定编号为4)，如图7所示。
图7 面空间流场测试示意
Fig.7 Schematic on surface for turbulence intensity
在0.4 MPa气动作用下，湍流均方根速度Urms随时间变化的测试结果，如图8所示。其中0.4 MPa气动，横向5分切分面(设定编号为2，片光2位置)100～700 ms罐内湍流分布云图，如图9所示(图9中每个图上部分为湍流强度云图，下部分为流场失量分布特征图)。
图8 0.4 MPa气动作用下湍流强度随时间变化趋势
Fig.8 Turbulence intensity at 0.4 MPa dispersing air pressures
图9 0.4 MPa片光2位置100～700 ms罐内湍流分布
Fig.9 100-700 ms turbulence intensity distribution of 0.4 MPa pneumatic pressure at location 2
1.2.3 粉尘点火实验条件
实验工况为:初始环境温度21 ℃，湿度25%，压力0.1 MPa，喷粉时长50 ms。点火能量依据国际标准的0.5CU2计算选择41.52 J，电极一次性放电点火，放电电极间距:1.5 mm。压力传感器安装位置位于罐壁高1/2处。以煤粉质量浓度250 g/m3，0.4，0.6，0.8 MPa气动，进行不同预点火时间节点进行点火实验。预点火时间指气动喷粉启动时刻到点火触发时刻的时长。本实验中，预点火时间分别定为100，150，200，250 ms。
由上节湍流实验结果可得，不同气动分散作用下，预点火时间节点100，150，200，250 ms湍流均方根速度(Urms)，见表2。
表2 不同气动分散作用下湍流速度
Table 2 Average turbulence Urms under different dispersing air pressures
点火实验步骤:启用粉尘爆炸参数测量系统，设定压力泵到预定喷粉气动压力，并分别在储粉室内装入预定设定浓度的煤粉;设置中心控制系统(异步触发控制中心)喷粉时长、点火延迟时间;对点火试验台储能电容充电，并启动压力测试采集系统至触发状态。启动中心控制系统，喷粉及点火过程按规定时刻完成，压力测试采集系统完整记录爆炸压力发展过程。
对于圆柱形罐体对称式的双喷头分散系统，流场特征与零平均速率湍流场具有相似性。如图8所示，在50 ms时长的喷粉过程中，湍流强度(Urms/v′)400上升至500后，又迅速衰减至100以下。因此，当前所研究的圆柱形罐体流场环境可近似认定为零平均速率湍流场。
湍流流动的物理特征由大量流体旋涡构成，每个旋涡可视为一个宏观的流体微团。即一个湍流状态下的流体包括许多尺寸大小和涡量不同的旋涡。对于湍流来说，雷诺数越大，说明最小旋涡与最大旋涡尺寸差别越大。因此引入湍流雷诺数及其3种尺度:湍流积分尺度
0、泰勒(Taylor)微尺度λ、柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K[14]。
湍流积分尺度0表示湍流中大漩涡的平均尺寸。即将空间两点脉动速度之间的相关系数表示为两点之间的距离的函数，并对其进行积分:
0=
R(x)dr
(1)
(2)
湍流积分尺度0可理解为流体中脉动速度不再相关的两点的距离。其物理描述有2种:① 湍流积分尺度0表示为形成流体细微结构的狭小涡流间的间距[18-19];② 湍流积分尺度0表示薄涡层间的间距[20]。
柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K是湍流流动中最小的尺寸，代表湍流动能耗散为流体内能的尺度。即
K≈(ν3/ε0)1/4
(3)
式中，ν为分子的运动黏度;ε0为耗散率，即
(4)
柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K有两种物理描述:① 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K表示整个湍流中最小涡流或涡线的厚度[19];② 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K表示流动中嵌入的涡流层厚度[20]。
在所有湍流雷诺数中，特征速度都是脉动速率均方根Urms，则湍流最大湍流尺度(积分尺度)的雷诺数Re0和最小湍流尺度(柯尔莫哥洛夫微尺度)的雷诺数ReK分别为
Re0=Urms0/ν,ReK=UrmsK/ν
(5)
2种尺度的关系为
(6)
由图9实验测得，在圆柱形罐体高度1/2位置(位置编号2)，100～250 ms时间范围测得平均湍流积分尺度0=60～67 mm。在已知湍流均方根速度Urms条件下(20 ℃空气的运动黏度ν=17.9×10-6 Pa·s)，则湍流最大湍流尺度(积分尺度)的雷诺数Re0可推算在15 000～8 000。表3列出了不同气动分散作用下湍流积分尺度0与相应的雷诺数Re0。对于柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K，可由式(6)推算得出，在100～250 ms内，0.4～0.8 MPa气动分散作用下，柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)微尺度K在0.03～0.10 mm。
表3 不同气动分散作用下湍流积分尺度及雷诺数
Table 3 Average turbulence integral scale under different dispersing air pressures
以无烟煤煤粉浓度250 g/m3，0.8 MPa气动分散压力条件下，不同预点火时间(100，150，200，250 ms)节点进行点火实验结果，如图10所示。不同湍流均方根速度(Urms)条件下煤粉对爆炸超压峰值(Pmax)影响呈线性增长，湍流均方根速度Urms在1.1～6.2 m/s范围内，随着Urms的增加，爆炸超压峰值由0.78 MPa增加到1.17 MPa，如图11所示。李庆钊等[7]采用标准20 L球形爆炸实验装置实验获得无烟煤在浓度250 g/m3时，爆炸超压峰值接近0.90 MPa，文中提及湍流强度对超压峰值的影响明显，但未具体量化。CORCORAN etc.[21]指出:粉尘燃烧速率受到氧气扩散速率的控制。随着湍流的增加，加速了可燃粉尘表面与氧气的接触及交互作用，同时也具有加速移除颗粒表面氧化物的功能。因此湍流速度导致反应加速。从上节湍流特性分析结果也可证明，湍流积分尺度随湍流均方根速度增加而减小，即最小涡流或涡线的厚度随脉动湍流强度增加而减小，进而导致煤粉与罐内空气充分预混并加速燃烧反应。
图10 0.8 MPa气动作用、不同点火时间下煤粉超压曲线
Fig.10 Overpressure of coal powder-air mixtures
图11 不同预点火湍流速度下煤粉超压峰值趋势
Fig.11 Peak-pressure of coal powder-air mixtures under pre-ignition turbulence intensity
煤粉最大爆炸超压上升速率[dP/dt]max与湍流均方根速度Urms趋势，如图12所示，对于煤粉在湍流均方根速度在1.1～6.2 m/s内，超压上升速率随湍流均方根速度呈非线性增长，由30 MPa/s增加到73 MPa;最大爆炸超压上升速率与湍流强度相关性模型如下:
[dP/dt]max=70.5+(18.8-70.5)/[1+
(Urms/1.7)3.2],
R2=0.967 8,(1.10 m/s≤Urms<6.14 m/s)
(7)
图12 煤粉最大超压上升速率随湍流速度的变化趋势
Fig.12 [dP/dt]max vs.Urms for coal powder-air mixtures
李庆钊等[7]测得煤粉最大爆炸超压上升速率在25 MPa/s左右。由图12可知，在相对较低的湍流均方根速度Urms(1.1～3.5 m/s)范围内，湍流强度的增加使其爆炸强度增速明显;而在湍流均方根速度Urms(3.5～6.1 m/s)范围内，爆炸强度增速变缓。说明较大的湍流强度虽然加速了煤粉与罐内空气充分预混和自身反应，但同样会导致对煤粉粒径间传热传质效率的下降。
最大有效燃烧速度ueff,max是一种对燃烧速度的理论量化概念,而不是实际湍流燃烧速度ut，然而最大有效燃烧速度与湍流燃烧速度在量级上具有相似性[22-23]，也进而对爆炸强度变化规律具有间接验证和参考价值。
对于定容爆炸,假设:① 相对于定容罐体尺寸，火焰前沿可认为极薄;尽管这种假设对于湍流火焰并不严格，但可近似作为一级近似[24]；② 粉尘-空气混合物作为理想气体混合物。对于燃烧和未燃混合物摩尔数M，比热比率γ和定容比热容Cv为平均的恒定值;③ 在定容环境下中心点火后，压力上升曲线是由火焰前缘经渐进式能量释放过程而产生。
基于以上假设，在绝热条件下，在密闭容积V0内混合物燃爆内能为
(8)
其中，P,T为的密闭容器中混合物平均压力和温度。因此,密闭容器中混合物的内能U增长速率为
(9)
假设内能释放过程是由于火焰传播燃烧烧速率u(t)，与火焰前缘的气体相关,则可得出
(10)
其中，Q为未燃混合物特定的化学能;ρ(t)和A(t)分别为未燃混合物的平均密度和火焰前缘在t时刻的面积。如果假设密闭罐体内燃爆为等熵压缩，则ρ=ρ0(P/P0)1/γ，由于ρ0Q=MQ/V0，可得出
(11)
其中，P0为罐体初始压力；ΔPmax为整个爆炸过程中最大上升压力。通过对方程(10)和(11)合并可得:
(12)
假设在粉尘爆炸过程中，能量释放等价于火焰前缘与未燃混合物之间的燃烧速率ueff(t)。在t*时刻，最大压力上升速率(dP/dt)max，代入方程(12)得
(13)
其中燃烧速率ueff(t)为
(14)
当选择最大压力上升速率及相应的时刻，即t→t*,dP/dt→(dP/dt*)max,ueff(t)→ueff,max，则方程(14)转化为
(15)
其中，要取得最大有效燃烧速率ueff(t)，V0/A(t*)必须进行预估算。对于球型罐体:
(16)
由文献[25]可知，在球型罐体中，无论是气相还是粉尘爆炸压力历程趋势表明，火焰半径r(t*)近似等于球型罐体半径R的0.52倍。即最大有效燃烧速率ueff(t)发生时刻t→t*时，有
(17)
对于一个爆炸中的球形火焰，其表面积和体积分别为
A(t)=4πr2,V(t)=4πr3/3
(18)
其中，r为球形火焰半径。其中火焰表面积与体积可表达为
A(t)=CBV(t)2/3
(19)
其中，CB=4(3/4)2/3π1/3为比例常数;对于半径为R的球型密闭罐体，中心处点火可用经验关系r(t*)～0.8R表达球形火焰半径[22-23]，因此
V0/A(t*
(20)
利用式(20)，也可将爆炸强度KSt计算方法理论转换为
(21)
由文献[26]可知:
ΔPmax(t*)≈0.5ΔP
(22)
爆炸强度KSt与式(22)中CA，umax和ΔPmax可近似认为当在球罐中心处点火，CA为常数;当火焰处于层流时，umax，ul为常数;对于给定的粉尘云，ΔPmax为常数。
基于上述假设，对非球型爆炸罐体，及其瞬态气动分散下的湍流状态，均适用于KSt立方根法则。
对于长径比约为1∶1的圆柱型罐体可近似等同与球型罐体，则R0=2D/3，其中D为圆柱型罐体内径;由式(15)得出煤粉最大有效燃烧速率ueff,max与预点火湍流速率Urms趋势，如图13所示。对比图12结果表明:煤粉最大有效燃烧速率ueff,max与湍流均方根速度Urms的动态趋势较为吻合，对爆炸强度变化规律也间接性的验证其准确性。
图13 煤粉最大有效燃烧速率与湍流速度趋势
Fig.13 Maximum effective burning velocity (ueff,max)vs.Urms for coal powder-air mixtures
(1)对于无烟煤煤粉浓度250 g/m3，气动0.4～0.8 MPa分散的煤粉，平均特征直径D50分别为18.25,17.85,17.56 μm，与其扫描电子显微镜(SEM)下微米铝粉的本征平均特征直径D50的17 μm十分接近。即微米煤粉的团聚效应较弱，能充分达到分散的效果。
(2)对于圆柱形罐体对称式的双喷头分散系统，流场环境可近似认定为零平均速率湍流场。在0.4～0.8 MPa气动分散作用下，100～250 ms内，湍流均方根速度Urms在1.1～6.2 m/s范围内，平均湍流积分尺度0=40～72 mm，最大湍流尺度的雷诺数Re0范围在8 000～16 300以内，柯尔莫哥洛夫微尺度K= 0.03～0.1 mm。
(3)湍流均方根速度Urms在1.1～6.2 m/s范围内，爆炸超压峰值(Pmax)影响呈线性增长，由0.78 MPa增加到1.17 MPa;在相对较低的湍流均方根速度Urms(1～3.5 m/s)范围内，湍流强度的增加使其超压上升速率[dP/dt]max增速明显;而在湍流均方根速度Urms(3.5～6.2 m/s)范围内，超压上升速率[dP/dt]max增速变缓。表明较大的湍流强度虽然加速了煤粉与罐内空气充分预混和自身反应，但同样会产生对煤粉粒径间的传热传质效率。通过煤粉最大有效燃烧速率ueff,max理论计算，结果与爆炸强度动态变化趋势吻合。
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