基于PIV对瓦斯爆炸流场的综述及展望

摘要：为了梳理现行的瓦斯爆炸燃烧流场的探测技术，通过文献调研的方法，对瓦斯爆炸流场、PIV技术、燃烧流场中PIV技术的应用这3个方面的国内外研究现状进行了综合评述，并对应用于其中的主要技术手段和结论进行提炼。研究表明，现行的主要流场技术主要包括插入式探针法、毕托管测速法、旋浆流速仪等接触型技术以及多普勒激光测速技术、激光诱导荧光技术、PIV技术等非接触型技术，其中在接触型技术中插入式探针法因为其方便经济易于操作所以应用最为广泛，但很容易受到周围环境的影响与火焰的干扰;非接触型技术中最典型的PIV技术则突破了这种局限性，能够在粒子的层次加以探究各种反应过程。综合来看，PIV技术更适合于一些复杂流场例如爆炸、燃烧流场。在此基础上，还得出了在当前该研究存在的不足之处以及下阶段的研究方向。

关键词：瓦斯;爆炸;PIV;流场;燃烧

中图分类号：X 937文献标识码：A文章编号：1672-7312（2019）02-0284-08

0引言

我国是能源消费大国，煤炭占据着能源消费的百分之七十以上。由于煤炭所在的地理位置，开采煤炭主要是在地下的巷道之中进行，矿井巷道内的环境极其复杂，很容易造成生产事故，瓦斯爆炸便是煤矿事故中危害最大的一种，一旦在矿井下发生瓦斯爆炸那么后果是不可预估的[1]。

目前研究瓦斯爆炸流场的主要方式有2种，一是对矿井巷道进行模拟，二是搭建实验管道进行实验分析。对于模拟的大型矿井巷道通常采取的方法是研究关键位置参数变化以及与软件模拟相结合;模拟小型矿井巷道通常是设置一些测量点，然后使用与之有关联的器材测试，进而观察瓦斯爆炸燃烧过程中火焰的整体运动趋势、设置测量点上数值的变化，最后将火焰的运动趋势与测量点数值的变化结合起来分析其中的关系。实验过程中数据采集所采取的方法通常为接触型，这种方法有以下两方面的不足，一方面是爆炸燃烧中火焰对研究结果产生干扰，另一方面是研究过程中周围环境的影响，这两方面影响了研究的准确性并且扩大了测试范围。PIV技术的发明和应用大大减小了上述方法带来的局限性，能够在粒子的层次探究各种反应过程，此外对实验测试得到的照片处理和对光电实验的研究一方面使整个反应过程的二维和三维的信息更加明显，另一方面可以给反应的过程增加热力学的特性和瞬时的流动性，随着激光技术的不断进步与发展，各种反应场的速度场更易于捕捉。

第2期刘琼蔚等：基于PIV对瓦斯爆炸流场的综述及展望1瓦斯爆炸流场的研究

在瓦斯爆炸流场方面，国内外许多学者都对流场的压力、温度、速度、爆炸火焰特征、反应速率、火焰传播规律等特性进行了研究。近些年来，全球的许多专家和学者一直在探究煤矿井下发生的瓦斯爆炸问题。最开始的时候他们研究瓦斯爆炸是通过手写编程求解流动方程组的方法。在我国，吴兵[2]使用的研究方法是TVD格式，通过该方法对瓦斯爆炸进行分析研究，最后推出了压力波、火焰以及障碍物这三者之间的关系;梁栋[3]通过SIMPLE方法分析了瓦斯爆炸，进而总结出了瓦斯的浓度与风速有着极为密切的联系，即风速越大瓦斯的浓度越小;徐景德[4]使用的研究方法同吴兵使用的研究方法相同，他借助TVD工具对煤矿井下燃烧的甲烷进行数据分析，继而得出了甲烷的火焰和冲击波有着正向关系的结论。

改革开放之后，经济快速的发展，许多新兴产业也应运而生，并在国内经济良好发展的潮流下不断进步，计算机行业便是受益者之一。越来越多的学者和专家开始对瓦斯的爆炸进行分析探究，随之而来的也产生了许多的计算软件。例如，胡学义[5]使用的计算软件便是Auto Rea Gas，通过该软件对煤矿井下瓦斯发生爆炸的整个阶段进行分析研究;Michele[6]借助计算软件分析了瓦斯发生爆炸的整个阶段，进而得出结论：瓦斯爆炸强度在某个特定的情况下受煤气管路直径的影响;Ulrich[7]基于计算软件分析得出的结论表明瓦斯爆炸所产生火焰的轨迹在一定程度上可以反映煤气管内瓦斯发生爆炸的压力以及其增长的轨迹;Fairweather[8]等人在对瓦斯发生爆炸的过程进行分析研究时得出了这样的结论，即障碍物的多少极大的影响瓦斯爆炸产生的压力值。王新[9]使用的计算软件是CFX，通过该软件对瓦斯发生爆炸后所产生的甲烷等气体进行分析探究，然后再与现实中所发生的种种瓦斯爆炸案例相联系，进而划分出了管道内的不同危险区。罗振敏[10]使用FLACS软件对瓦斯发生爆炸的整个阶段进行分析探究，解决了瓦斯发生爆炸后所产生的热量是通过热传导、对流换热以及辐射热来进行热传递;张玉周[11]使用DYTRAN软件对瓦斯发生爆炸的整个过程进行分析，最终得出了管道内障碍物的多少对于冲击波的传播速度的作用程度;曲志明[12]通过计算软件分析说明了瓦斯爆炸所产生的压力波和速度波在进行传播时的相关性。

现如今，我国大多数的学者在对瓦斯爆炸进行分析研究时使用的计算软件主要是Fluent。例如，黄文祥[13]等学者便借助了 Fluent软件中的一个高速摄影仪对瓦斯爆炸所产生的不同火焰进行了分析模拟，进而得出火焰的具体特性以及其传播的速率皆有一定的规律可循;郑有山[14]等学者主要分析的是瓦斯在管道的变截面区域内所产生的爆炸情况，通过使用Fluent软件，得出了瓦斯爆炸所产生的强度的大小与管道的变截面区域的大小有着正向的关系;杨春丽[15]基于Fluent软件对瓦斯的浓度进行分析从而得出瓦斯浓度的大小与它所处的区域有正向关系，巷道越大，涌出的瓦斯浓度越多，反之则越少;戴林超[16]借助了计算软件分析了瓦斯在完全密封着的管道内所产生爆炸的威力，最后得到了其火焰的特性、传播速度的规律。

国内有众多学者也对导致瓦斯发生爆炸的因素进行了研究，如巷道、采空區区域的大小以及形状等。例如，侯玮[17]从不同角度对管道内部所产生的冲击波进行分析，发现冲击波的压力以及温度等在经过90度的管道时均出现减少的现象;朱学亮[18]等学者通过分析管道的长短对瓦斯爆炸所产生的作用，继而得出了瓦斯爆炸所产生的火焰在不同长度的巷道内有不同的传播速度，并将其分为了以下三个主要阶段：快速上升、扩散传播以及惯性前进。兰泽全[19]等学者基于某一计算软件对瓦斯的浓度进行分析发现当采空区的区域较大时，在一定程度上可以减少瓦斯所扩散的浓度的大小，当采空区处于泄风巷的位置时则可以对瓦斯浓度进行分流;谢振华[20]等学者主要从采空区形状的角度对瓦斯浓度产生的影响进行分析研究。

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