文章编号：1000-5773（-0135-13
李祥春1，聂百胜1，杨春丽3，陈金伟1.2
2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083； （1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083；3.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）
同瓦斯浓度情况下的瓦斯爆烨反应进行了模拟研究，研究结果表明：随着初始瓦斯浓度的增 摘要：为了研究瓦斯浓度对瓦斯爆降反应动力学特性的影响，利用定容反应募模型，对不加，瓦斯爆炸的最终温度先升后降，压力逐渐升高；OH、H和（自由基摩尔分数先升后降；残余的CH：享尔分数缓慢增加，O摩尔分数缓慢减少至零.瓦斯爆炸的最佳反应浓度比化学计量浓度要高，大约在10%～12%之间，此时爆炸后体系中温度达到最大值.在化学当为R32、R38、R85、R118、R119、R155、R156、R157：对甲烷和氧气的产生、自由基（O和H） 量比情况下，对甲烷和氧气的消耗、自由基（O和H）的生成起促进作用的关键基元反应步的消减起促进作用的关键基元反应步为R53、R158.
中图分类号：O381：X932文献标志码：A
doi: 10. 11858/gywlxb. 2017 02. 005
1引言
瓦斯爆炸是我国煤矿事故中危害非常大的事故，往往造成大量人员伤亡及财产损失，长期困扰着煤矿安全生产工作.为此，人们一直在探索一种合适的防爆抑爆方法，以期达到防治瓦斯爆炸的目的.因此需要对瓦斯爆炸的基本科学问题进行深人研究，特别是瓦斯爆炸的机理及其化学动力学特性，为防 爆抑爆方法的研究和制定奠定理论基础.
在瓦斯爆炸机理方面，国内外许多学者对预混瓦斯气体爆炸进行了大量的理论和实验研究.但由于瓦斯爆炸实验方法只能显示特定工况下的温度和传播压力等宏观参数，面不能测量各组分及参量的变化规律、自由基的生成以及销毁等微观反应动力学特性，所以人们引人计算机数值模拟技术应用于瓦斯爆炸研究中.Spalding、Fairweather等姚海霞等[]、范宝春等[、徐景德等余立新 等[陈先锋等[1采用k-e当流模型和改进的EBU-Arrehnius燃烧模型对管道内爆炸现象进行了数值模拟.Ferrara基于非定常雷诺兹平均纳维-斯托克斯方程（Reynolds Averaged Navier-Stokes，RANS)方法中的层流小火焰燃烧模型，利用CFD软件数值模拟了不同点火位置、管直径和管长度对爆
炸的影响，Hashimoto等模拟了在两个连接的管道中氢气/空气混合气爆炸，分析了火源位置和点火室体积的影响.Maremont等]、Li等"、冯长根等、曲志明等、宫广东等"、江丙友等、林辰等利用FLUENT软件对管道内以及复杂巷道情形下的瓦斯爆炸进行了数值模拟.汪泉利用PHOENICS软件对管道内瓦斯-空气混合物爆炸的火焰参数进行了数值模拟，与实验的吻合度很高.数据进行了对比，对瓦斯爆炸过程进行了分析.贾宝山等模拟研究了一氧化碳和水蒸气对瓦斯爆炸的阻尼效应.梁运涛等利用CHEMKIN软件进行瓦斯爆炸数值模拟，研究了水和空气含湿量对瓦爆问题.
简单，而CHEMKIN软件实现了对瓦斯爆炸反应机理的深人研究.为此，本研究利用多步详细反应机 综上可知，人们对瓦斯爆炸的传播规律及抑爆等方面进行了很多研究，但所采用的爆炸机理大多较理探究不同瓦斯浓度对瓦斯爆炸化学反应动力学特性的影响，以期为瓦斯爆炸的预防和抑制等提供理论依据.
2瓦斯爆炸模型
2.1物理模型
模拟选用CHEMKIN-PRO内置闭式均相反应器（Closed Homogeneous Batch Reactor）作为定容反应器模型，该模型为零维的密闭绝热模型，反应器内各物质组分完全处于高度扩散状态（处处均匀），并且分子总量不变，即反应物向生成物转化完全取决于化学反应，没有流场的影响，计算结果只反映整体空间内的状态.
2.2基本假设
根据所选物理模型做如下基本假设：（1）气体无黏性，且满足理想气体状态方程：（2）墙面为刚性体，且不考虑其与气体的流体-固体耦合：（3）系统与外界无热交换，即绝热.
2.3计算模型
2.3.1控制方程
在定容燃烧反应器中任意位置的反应物、中间产物和产物的反应均以相同的速率进行，即没有温度或浓度梯度分布，所以系统的整体变化情况可以用一组组分浓度参数和一个温度参数进行描述.通过以下方程可以得到组分浓度和温度的关系[11].
（1）组分方程
(1)
(2)
(3)
式中：X，为第i种组分的摩尔浓度，mol/m²；r为时间，s:u;为第i种组分的反应速率，mol/（m²s）；N为气体组分总数；n为反应步总数；x为第k个反应中正向的速率常数：v和v分别为第i种组分在第k个基元反应中的正反应和逆反应的化学当量系数；A，和b：为第k个反应的指前因子和温度指数； E为第k个反应的活化能，mJ/mol；T为混合气体湿度，K：R为混合气体常数，J/（kgK）.
(2）能量方程
(4)
式中：p为混合气体密度，kg/m²;cv为混合气体等容比热容，J/（kgK）；u为第i种组分的反应热，J/mol.
2.3.2敏感性分析方程
瓦斯爆炸过程中关键反应对总包反应的促进或抑制作用对于理解瓦斯爆炸机理十分重要，对于爆炸反应体系，可以通过敏感性分析反映各个特征量随基元反应步（TheKeyElementary Reaction Step，TKER）速率面变化的程度.假设一个变量Z.其控制方程为3-]
(5)
式中：Z=（Y，Y，，Y√）是各组分质量分数；a=（AA，，A），是指前因子.
敏感性的系数可以由下式得到
(6)
式中：gi为敏感性的系数，Z为第1种变量a为第k个反应的指前因子.
2.4瓦斯爆炸机理
较详尽的等等，比较著名的包括GRl-Mech3.0、Konnov机理、Leads机理、Williams机理、Warnatz机 在瓦斯爆炸机理方面，以前很多人建立过多种多样的机理，包括儿步反应的、骨架的、简化的以及比理和DRM19/DRM22，其中，1awrence Livermore 实验室推出的GR1-Mech 3.0文件是国际土公认可靠度最高的甲烷爆炸机理，它从最初的12个组分15个基元反应发展到如今的53种组分325个基元反应，因面本工作采用GR1-Mech3.0研究瓦斯（甲烷）爆炸的化学动力学特性.
3瓦斯浓度对瓦斯爆炸影响的模拟
3.1初始模拟计算条件
为了揭示不同瓦斯浓度（摩尔分数）条件下的瓦斯爆炸化学反应动力学特性，对处于爆炸极限范围内的不同瓦斯浓度下的爆炸进行模拟研究，采用定容反应器，不涉及表面反应，所以不需要表面动力学和气体传递数据文件，问题类型为定容、绝热条件下求解能量方程，没有热量损失，氮气和氧气的摩尔 分数依据它们在空气中的体积分数比（79：21）求得.初始计算条件如表1所示，
表1初始模拟计算条件
Table 1 Initial conditions of simulation
Working Initial Initial pressure/ Mole fraction/( %) Calculatingcondition temperature/(K) (MPa) CH 0: N time/(ms)1 2 1200 1200 0 09 0 09 9 50 6 00 19 00 19 74 71 50 74 26 100 1003 1 200 0 09 14. 00 18 06 67. 94 100
3.2瓦斯浓度对反应物摩尔分数的影响
在一定范围内，初始CH：浓度对反应物摩尔分数的影响如图1所示.从图1可以看出，在初始温度1200K下，瓦斯爆炸发生的瞬间，反应物的摩尔分数迅速下降.在这3种工况下CH；摩尔分数都由初始值急剧下降到接近零，并且，随着初始混合气中CH摩尔分数的降低，完全消耗掉CH所用的反应时间会大幅减少：O：的摩尔分数由初始的18.06%、19 00%和19.74%分别急剧下降至0.07%、 1. 83 % 和 7. 98 % .
CH浓度对最终反应物摩尔分数的影响如图2所示.从图2可以看出，随着初始CH，摩尔分数的增加最终残余的CH的摩尔分数逐渐升高，而最终残余的（：摩尔分数逐渐减少至零，
图1CH和O:摩尔分数随时间的变化
Fig. 1 Mole fractions of CH; and O; vary with time a1 （初始CH，浓度为6.0%、9.5%和14.0%）initial CH concentration of 6 0% 9. 5% and 14. 0%
3.3瓦斯浓度对压力及温度的影响
在一定范围内，初始CH：浓度对压力及温度的影响如图3所示.从图3可以看出：在点 火温度1200K下，瓦斯-空气初始反应物很快（10ms级）着火，进而发生爆燃，压力及温度快速升高，点火延迟时间非常短：爆燃结束之后，压力和温度都达到最大值并保持不变（定容反应器）.
在初始瓦斯浓度为14.0%、9.5%和6.0%的条件下，瓦斯爆炸的点火延迟时间分别为11.80、10.60和0.95ms；爆炸持续时间分别为53.2、40.7和30.0ms:爆炸后体系内的湿度分斯爆炸的最终温度分别是初始温度的2.31、 别稳定在2775.87、2813.98和2552.26K，瓦2.34和2.13倍：最大压力峰值分别为0.232、0.220和0.190MPa，瓦斯爆炸的最终压力分别是初始压力的2.58、2.44和2.11倍.
图2CH浓度对最终反应物摩尔分数变化的影响
Fig. 2 Effet of CH concentration on thevariation of final renetants’ mole fraction
图3压力和温度随时间的变化（初始CH 度为 6 0%、9 5%和14 0%)Fig 3 Temperature and pressure vary with time at initial CH; concentration of6 0% 9 5% and 14 0%
度的增加：与初始瓦斯浓度为9.5%的情形相比，初始瓦斯浓度为14.0%时，爆炸反应点火延迟时间增 瓦斯爆炸着火时间、点火延迟时间和压力峰值均随着初始混合气体中瓦斯浓度的提高而有较大幅加了30.8%，爆炸后体系温度下降了1.35%；而初始瓦斯浓度为6.0%时，爆炸反应点火延迟时间减少了26.5%，爆炸后体系湿度下降了9.3%.
相同温度下，瓦斯混合气越稀点火延迟时间越短，其主要原因是随着瓦斯浓度的增加，着火被抑HO：一OHO对引发混合气爆炸很重要；对于稀混合气面言，氧气相对于甲烷是富足的， 制，混合气的着火延迟期增长，这说明在相同温度条件下，混合气着火更依赖氧气的浓度，链分支反应过量的氧气会加速反应H十O一OHO的链分支，从而提升总反应速度，整体表现为促进引发爆炸，爆炸延迟时间变短.
初始CH浓度对最终温度和压力的影响如图4所示.从图4可以看出：随着初始瓦斯浓度的增加，瓦斯爆炸产生的最终温度先升后降，压力逐渐升高：瓦斯爆炸的最佳浓度比化学计量浓度稍高，大约
在10%～12%之间，化学反应完全（反应物充度也最强. 分利用），爆炸后体系中温度达到最高，反应强
3.4瓦斯浓度对自由基摩尔分数的影响
在瓦斯爆炸过程中，活性自由基OH、H和O占有重要地位；特别是在瓦斯爆炸反应诱导初期，这些关键组分决定了缓慢氧化 反应能否发展成为剧烈的爆燃反应，甚至爆轰反应.甲烷爆炸机理的研究重点是H、O和OH自由基等中间产物的生成和反应形式.图5显示了在一定范围内CH浓度对自 由基摩尔分数的影响.在着火前时刻，H、0和OH自由基摩尔分数迅速增加，极大地提升了混合组分的活性，从而引发爆炸；然后
图4CH浓度对最终温度及压力的影响Fig. 4 Effect of CH concrentration on the variation of final temperature and pressure
H、O和OH自由基摩尔分数随着链载体的消失面迅速降低，最后维持在一个稳定的值.
图5自由基摩尔分数变化情况（初始CH，浓度为6.0%、9.5%和14.0%） Fig. 5 Free radical mole fractions vary with time at initialCH; concentration of 6 0% 9 5% and 14 0%
与初始CH浓度为6.0%和14.0%的情形相比，当初始CH浓度为9.5%时，甲烷爆炸产生的
HO和OH自由基较多，进而更易发生链分支，爆炸更强烈.自由浓度为6.0%）工况下，O多于H； 基摩尔分数方面，在贫燃富氧（CH面在富燃贫氧（CH浓度为14.0%）情况下，0少于H.随着初始反应物中CH，浓度的降低，O自由基的摩尔分数增加，同时反应时间随之 减少，在瓦斯爆炸过程中，甲烷会和自由基反应而快速消减，从甲烷到亚甲基、甲醇和甲氧基的主要历程如图6所示，
图6甲烷到亚甲基、甲醇和甲氧基的主要历程Fig. 6 Main proresses of CH toCH; CH OH and CH;O
初始CH浓度对最终的自由基
