煤尘爆炸中压力与火焰动力学的浓度依赖性演化：实验与数值模拟

《Advanced Powder Technology》：Concentration-dependent evolution of pressure and flame dynamics in coal dust explosions: Experiments and numerical simulations

　　刘东轩|孙一佳|王轩|陈仁康|王冰|段鸿振|耿双|于存娟|徐思宇|曹卫国
中国山西省太原市030051，华北大学环境与安全工程学院

摘要
煤尘爆炸对煤矿作业构成严重安全隐患。本研究结合实验与数值模拟，探讨了煤尘浓度对火焰传播及爆炸压力演变的影响。实验在20升圆柱形容器中进行，煤尘浓度范围为60至1000克/立方米，同时利用FLUENT软件进行了二维模拟。研究结果表明，随着煤尘浓度升高，最大爆炸压力（Pmax）和压力上升最大速率（(dP/dt)max）在250克/立方米时达到峰值。浓度进一步增加会抑制火焰传播，导致火焰前沿出现不规则锯齿状形态。喷嘴引发的湍流与回流会促进煤尘混合，但在高浓度条件下，这些现象也会造成局部颗粒聚集及爆炸过程中氧气分布不均，形成停滞区，进而加剧火焰前沿的紊乱与燃烧不稳定性。煤尘浓度不仅决定了参与反应的可燃物数量，还会影响颗粒间的相互作用。因此，控制煤尘浓度可调节爆炸过程中的能量释放与压力发展。这些发现为优化煤矿环境中的爆炸预防与控制策略提供了重要依据。

引言
尽管氢能、太阳能等绿色可再生能源的应用日益广泛，但受资源获取难度、供应稳定性及基础设施建设等方面的限制，煤炭仍占全球能源供应的约28%[1]–[5]。在煤炭的开采、加工、运输及利用过程中，不可避免地会产生大量煤尘。当煤尘以可燃粉尘云的形式散布在空气中时，具有极高的爆炸风险。在此类条件下，一旦发生点火，就会引发快速火焰传播及极高的爆炸压力，从而导致严重的人员伤亡以及设备和基础设施的巨大损失[6]–[9]。因此，了解爆炸过程中压力发展与火焰行为如何随煤尘浓度变化而演变，对于揭示其内在机制以及改进煤矿环境中的粉尘控制与安全措施至关重要[10]。

现有研究表明，煤尘爆炸行为是多种相互作用因素共同作用的结果。以往研究主要聚焦于粉尘颗粒本身的物理化学特性以及爆炸发生时的周围环境条件。就粉尘固有特性而言，人们尤其关注颗粒尺寸分布[11]、颗粒形态及比表面积等物理性质，以及挥发分含量和灰分组成等化学性质，它们都对爆炸敏感度及爆炸强度有影响。关于颗粒尺寸的作用，任等人[12]通过皮尔逊相关分析和逐步回归法，定量分析了颗粒尺寸特征与爆炸敏感度指标之间的关联。研究结果表明，D10、D30、D3,2（索特平均直径）等颗粒尺寸参数以及比表面积（SSA）与最小爆炸浓度（MEC）和最小点火能（MIE）存在显著相关性。其中，D3,2和SSA对爆炸敏感度的影晌最为明显，说明细小煤颗粒在煤尘爆炸反应中起主导作用。

就系统状态参数而言，粉尘质量浓度及其空间分布均匀性被认为是决定煤尘爆炸强度与传播特性的关键因素。过高的或过低的粉尘浓度都会抑制爆炸的传播。这种现象源于挥发分释放、氧气扩散以及燃烧波传播效率等多种机制的耦合作用。聂等人的实验观察[13]显示，当煤尘浓度在50至225克/立方米之间变化时，爆炸压力呈现非单调趋势，先上升后下降，最大压力出现在约125克/立方米处。他们的研究还发现，高浓度煤尘爆炸会产生大量如一氧化碳和甲烷之类的可燃气体，这可能引发二次爆炸危险。先前的研究已表明，煤尘的爆炸行为存在明显的浓度依赖性特征。杨等人的实验观察[14]显示，火焰的分形维数随煤尘浓度增加而上升，在约300克/立方米时达到最大值，这说明在中等浓度下火焰结构复杂性增强。随着浓度进一步升高，粉尘颗粒的空间填充效应变得更加明显，导致火焰结构逐渐简化。曹等人[15]使用20升球形爆炸装置，研究了点火延迟与煤尘浓度对爆炸关键参数（包括最大爆炸压力和压力上升最大速率）的综合影响，并通过数值建模验证了实验结果。

就环境条件而言，环境温度[16]、压力、氧气浓度以及湍流强度等边界参数，会对爆炸的传播行为产生显著调控作用。这些因素通过影响反应动力学、热质传递过程以及流场结构，改变煤尘爆炸的演变过程。此外，作为爆炸事件初始触发因素的点火源特性[17]，对火焰形成及压力上升的早期发展起着决定性作用。爆炸过程中第一个火焰核的形成以及后续压力的演变，在很大程度上取决于点火源的能量水平、持续时间及空间特征。

虽然实验方法可以直接表征煤尘爆炸中的压力演变与火焰动态，但在参数可控性以及获取详细内部流场信息方面存在局限性。与实验方法相比，计算流体力学模拟能够详细描述流速、温度分布及反应流结构，因此被广泛用于研究粉尘爆炸的过程与机制。吕等人[18]运用CFD建模模拟了事故场景，研究了烟囱流作用下半封闭空间内的煤尘传输与沉积现象，发现过高的粉尘浓度会减弱火焰蔓延并限制最大超压的发展。荆等人[19]对气体爆炸以及气煤尘混合爆炸中的火焰传播进行了实验研究。根据他们的研究结果，煤尘会延长火焰持续时间并引入明显的振荡行为，同时使火焰传播时间减少3.3％–28.6％，火焰速度则增加188％–314.3％。李等人[20]通过CFD数值模拟，研究了流动条件下粉尘爆炸中的压力演变与火焰传播规律。结果表明，较高的初始输送速度会加剧管道内的湍流，进而提高最大爆炸压力并加速压力上升过程。高压区的分布主要集中在管道的上游部分，大约在距入口0–1米的范围内。这些研究共同表明，数值模拟能够准确预测爆炸压力与火焰传播行为，且与实验观测结果高度吻合，从而证实了CFD方法在阐明粉尘爆炸机制方面的有效性。

然而，以往的研究大多侧重于爆炸压力特性、点火敏感性或在简化条件下的孤立火焰行为，而对于圆柱形封闭环境中压力发展、火焰传播不稳定性、氧气分布及湍流相互作用之间的耦合演化机制，研究相对较少。特别是，燃烧受动力学控制与受扩散限制之间的浓度依赖性转变，以及喷嘴引发的湍流和颗粒团聚对火焰演变的影响，目前仍缺乏足够深入的了解。

煤矿巷道具有长度较长、几何形状近似圆柱形的特征，而这些几何特性会显著影响煤尘爆炸的起始与传播。因此，本研究采用了圆柱形爆炸试验装置，通过喷雾注入方式分散煤粉，结合实验与CFD模拟，研究了煤尘爆炸行为随浓度的变化规律。通过获取爆炸压力、火焰传播特性等关键参数，并借助CFD模拟进一步揭示反应过程与流场演变，系统阐明了在圆柱形封闭条件下煤尘浓度对爆炸动力学的控制作用。与以往研究相比，本研究不仅对圆柱形封闭容器中的煤尘爆炸进行了全面的实验与数值分析，还分析了颗粒分散、氧气供应、壁面效应以及湍流回流对爆炸动力学的耦合影响。这些发现为煤矿巷道及输送管道等封闭工业环境中的爆炸风险评估与安全防护提供了理论依据。

实验材料与准备
褐煤的简易分析可提供水分、灰分、挥发分及固定碳含量的定量信息，这些数据随后被用作建立煤尘燃烧与爆炸模型的基础参数。褐煤煤尘的简易分析结果见表1，为确定后续数值模拟中所用的热物理性质及反应动力学参数提供了重要参考。

爆炸超压的演变
为系统研究煤尘浓度对爆炸特性的影响，共设计了6种实验条件，煤尘浓度分别为60、125、250、500、750和1000克/立方米。选择这一浓度范围是为了全面考察从低浓度到高浓度条件下的燃烧行为。据此，将浓度范围划分为两个典型区间：低浓度区间（60、125和250克/立方米）和高浓度区间（500、750及更高浓度）。

结论
本研究利用圆柱形爆炸试验装置，探讨了煤尘浓度对爆炸特性的影响，主要结论如下：当煤尘浓度为250克/立方米时，最大爆炸压力（Pmax）和压力上升最大速率（(dP/dt)max）达到最大值，表明此时爆炸强度最高。火焰传播也呈现出类似趋势，火焰持续时间和传播强度在该浓度下达到峰值；而500克/立方米及以上的高浓度则显著抑制了火焰传播。

作者贡献声明
刘东轩：撰写——初稿。孙一佳：数据整理。王轩：验证。陈仁康：方法设计。王冰：研究实施、数据整理。段鸿振：撰写——审稿与编辑。耿双：形式分析。于存娟：形式分析。徐思宇：方法设计。曹卫国：监督、项目管理、资金申请。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金委员会（12172336）以及山西省基础研究计划（202403021223003）所提供的支持。