方形孔洞与实心矩形障碍物对甲烷-空气连续爆炸压力演化及火焰动力学的影响机制研究

为解决煤矿巷道中障碍物对甲烷连续爆炸传播特性的影响机制问题，研究人员通过定制管道实验平台，系统研究了方形孔洞与实心矩形障碍物的形状及阻塞比（BR）对爆炸压力演化（p、dp/dt）和火焰动力学（Darrieus-Landau不稳定性、Kelvin-Helmholtz涡旋）的作用规律。结果表明，孔洞障碍物通过高速轴向射流加速火焰传播，而实心障碍物诱发绕流涡旋导致燃烧效率下降，揭示了障碍物几何形状与连续爆炸灾害的关联机制，为煤矿安全防控提供了理论依据。

　　

在煤矿巷道等狭长受限空间中，甲烷泄漏与空气混合常形成非均匀分布的可燃气体区域。当局部爆炸产生的冲击波和火焰穿越空气区并引燃下游积聚气体时，会触发破坏性更强的连续爆炸。而巷道内普遍存在的方形孔洞（如支架镂空结构）和实心矩形障碍物（如设备基座），会通过湍流增强、涡旋脱落等机制显著改变爆炸传播特性。然而，现有研究多集中于均匀预混气体的单次爆炸，对非均匀分布下连续爆炸与复杂障碍物的相互作用机制尚不明确，这极大限制了煤矿瓦斯爆炸灾害的精准防控。

针对这一关键问题，重庆大学资源与安全学院的研究团队在《Fuel Communications》发表论文，通过自主设计的矩形管道实验平台（截面15 cm×15 cm，总长240 cm），结合高速摄影与压力传感器阵列，系统分析了方形孔洞与实心矩形障碍物在不同阻塞比（BR）下对甲烷-空气连续爆炸的影响。研究发现：孔洞障碍物（BR=0.44时）产生的轴向射流使火焰速度提升至42.3 m/s，较实心障碍物高18.7%；而实心障碍物（BR=0.64时）因绕流效应形成大尺度涡旋，导致未燃气体积聚区压力振荡幅度增加2.1倍。三种流体不稳定性机制被证实主导火焰行为——燃烧产物与未燃气体的密度梯度诱发Darrieus-Landau不稳定性（D-L不稳定性）使火焰面褶皱；障碍物近壁流动分离产生Kelvin-Helmholtz涡旋（K-H不稳定性）；反射激波与火焰相互作用触发Richtmyer-Meshkov不稳定性（R-M不稳定性），导致火焰反转与二次爆燃。

主要技术方法
研究采用分区域充气法模拟非均匀气体分布（前段充10%甲烷-空气混合气，后段充空气），通过高频压力传感器（采样率100 kHz）和高速摄像仪（5000 fps）同步捕捉压力波演化（p-t曲线、dp/dt）与火焰传播过程。障碍物模块化设计支持快速更换不同形状（方形孔洞/实心矩形）与BR（0.44-0.64）的测试组件，结合粒子图像测速（PIV）分析流场涡量分布。

关键结果

1. 爆炸超压响应特性：孔洞障碍物使P1测点压力峰值达84.2 kPa，较实心结构高13.5%，但压力上升速率（dp/dt）在P2测点因空气区能量耗散下降37%。
2. 火焰动力学演化：孔洞结构产生的轴向射流使火焰前锋呈现"指状分叉"，速度波动标准差达6.8 m/s；实心结构则因涡旋滞留效应导致火焰路径弯曲度增加2.3倍。
3. 不稳定性耦合机制：D-L不稳定性使火焰表面积扩大至平面火焰的4.2倍；K-H涡旋核心温度梯度达280 K/mm；R-M不稳定性触发压力振荡频率主峰出现在1.2 kHz。

结论与意义
该研究首次阐明了非均匀气体分布下障碍物几何形状对连续爆炸的差异化影响机制：方形孔洞通过促进高速射流加速火焰传播，而实心矩形结构则通过涡旋滞留效应增加爆炸不确定性。提出的D-L、K-H、R-M三重不稳定性耦合模型，为预测煤矿复杂环境中的爆炸灾害提供了理论框架。研究成果可直接指导巷道障碍物优化布局（如采用孔径≤15 cm的孔洞结构替代实心隔断），对完善瓦斯爆炸防控标准具有重要实践价值。