刘琼蔚 罗振敏

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，開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、采空区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。

国内还有许多学者对发生瓦斯爆炸管道内所存在障碍物的各种特征进行了分析研究。比如说王志青[21]基于计算软件对瓦斯爆炸所产生的压力值进行分析，得出了条状的障碍物对爆炸压力的影响比圆状的的障碍物要大许多;许航[22]的研究结果与侯万兵等人研究得出的结论是一致的;陈成[23]主要从螺旋形障碍物螺距的角度出发，得出其与瓦斯爆炸所产生压力值的大小呈正向关系的结论。除了以上这些研究，国内的专家们还对瓦斯的初始点燃条件进行了模拟分析。黄子超[24]对瓦斯的点燃温度进行了分析，继而得出了瓦斯火焰温度以及瓦斯爆炸所产生的气体组成成分浓度的规律;陈先锋[25]得出了量比浓度与爆炸的压力之间的规律;朱传杰[26]等学者主要是对瓦斯爆炸的传播过程进行了分析研究;宫广东[27-28]等学者对瓦斯爆炸的影响因素进行了分析研究，得出了以下结论：管道内有无障碍物在一定程度上决定了瓦斯爆炸的强度，两者之间存在着正向关系。根据国内外研究瓦斯爆炸的资料可知[29]，大部分的研究都仅仅局限于煤矿井的管道以及采空区等，虽然研究瓦斯爆炸的方法有限，但也是非常具有参考价值的。通过不同的角度如管道的U型面、管道的Y型面和管道内有无弯道的存在等，众多学者对瓦斯爆炸的相关特性进行了透彻的总结[30]。

2PIV技术的研究

PIV（particle image velocimetry）即为粒子图像测速，是近代以来研究流体物质最常用的一种测速工具，它的最主要的三大特点便是瞬态、无接触式以及多点。它在进行流体的模拟计算时完全打破了传统测速工具的局限性，可以在不接触流体的前提下对其进行瞬态的分析，分析内容主要包括流体空间结构、流体在一定环境中的特征以及流体速度传播的特性。

利用PIV技术在对流场进行分析模拟时，是通过散播一定的示踪粒子与其内部不进行接触的高精度测量，PIV凭借着这些优势在国内外越来越被大家所接受[31]。自20世纪七十年代首先提出PIV这一测速流体的方法时，它是不被大家所接受的，但是随着它的不断改进与完善测速技术的同时也被更多的人所熟知并广泛的应用于流场的测速中，PIV工具也从过去的仅能使用二维2D-2C技术来测量流场中的流体的特征，到现在已经可以自如的使用二维2D-3C、三维3D-3C技术对其进行测量[32];随着PIV技术的精进，越来越多的领域开始使用该技术并将该技术作为测速的基础工具来使用，例如在空间压强场重构技术[33]、远场噪声的预测技术[34]以及气动载荷的确定技术[35]等方面的应用。

PIV第一代的自关模式最早出现在1990年前后，在技术人员的不断完善下，该技术的精准度以及实用性均有了质的飞跃，并广泛的被业界人士所认可;但PIV技术仍然存在着一定的局限性，比如说使用该技术在进行流场区域的划分时比较浪费时间，工序上更加复杂，所以PIV技术也在进行着新一轮的创新，经过不断尝试最终研究出了新一代的DPIV技术，全称为数字图像测速技术。DPIV技术的优点是用计算机技术对流场空间的结构和特征进行数据化的处理，并将之以图像化的方式呈现在大家面前[36]。

我国对于PIV的研究始于1990年前后，当时许多著名的高校都在进行该项技术的研究，如北京航空航天大学、浙江大学以及大连理工大学等。北京航空航天大学的申功炘[37]等人研究PIV技术的時间较长，主要是借助实际模拟与计算机图像分析的方法来对PIV技术测量流体的速度、特征进行分析研究，从而得出相应流体计算的理论公式，也为PIV技术之后的应用打下了良好的根基。浙江大学的王灿星[38]团队主要是分析研究PIV技术在处理技术图像方面。阮晓东[39]团队在基于Delaunay计算技术的基础上研究出了如何处理PIV数据中出现的错误矢量。清华大学的禹明忠[40]团队主要研究的是当PIV技术在使用的过程中出现图像变形时，对其进行纠正改进，以便于PIV技术更好地应用于流场测速上。北京航天航空大学的高琪[41]团队则主要研究的是PIV速度场的处理方式，在原有的基础上提出了一种新型的POD分解处理技术，从而对速度场进行更好地处理。天津大学的李恩帮[42]团队从PIV技术所散布示踪粒子的角度出发，通过研究粒子特征对其进行数据模拟，从而得出了示踪粒径与脉动频率等对示踪粒子的影响规律。

除了国内的学者研究以外，国外的许多学者也对PIV技术中所出现的错误矢量进行了分析研究，如H Huang，D Dabiri和M Gha[43]等人得到了错误矢量的相关处理方法，这种方式极大的减少了PIV技术中所出现的错误矢量，然而它也有一定的局限性，即没有充分考虑示踪粒子以及其流动速度等因素的作用。J Nogueira，A Lecuona和P A Rodriguez[44]等学者同样研究了PIV技术中所出现的错误矢量，他们主要是通过插值过滤的方法，从而减少错误矢量。M Stanislasy和J C Monnierz[45]等学者从示踪粒子的三个角度即密度、粒径和浓度出发，研究其对PIV技术的精准度的影响程度。R Theunissen和F Scarano[46]等学者分析了使用PIV技术在进行数据处理时的影响因素，最终得出查询窗口的尺寸对错误矢量的多少有极大的影响。

PIV技术在初始阶段的应用中暴露出许多的问题，如以前在进行数据处理时大多是使用二维2D-2C技术对流场数据进行处理分析，但是随着需求的不断增加，以及流场流体的复杂性不断加大，传统的二维2D-2C技术已经不能满足时代的需求，于是，相关的技术人员便经过不断的改进，最终形成了二维2D-3C、三维3D-3C技术。H Royer[47]等学者最先提出了适合全息PIV技术的图像处理方法，并得到业界人士的认可;康琦[48]则开发出了3D-PIV技术，并广泛应用于流场测速。

通过以上分析可知，PIV技术已经广泛应用到二维流场中，并且PIV技术较之以前也有了极大的进步，如精准度更高，在数据和图像的处理上也更为先进。然而，二维2D-2C技术仍存在着一定的局限性，比如在不同平面的测速上会受到限制，大多只能测量一个平面，为了突破二维的局限性，经过不断地研究发展，最终开发出了二维2D-3C、三维3D-3C技术，并广泛应用于流场测速。

3燃烧流场中PIV技术的研究现状

各式新型燃烧技术的问世使得研究燃烧流场复杂性的水平得到有效的提升，人们开始关注火焰流场的可视化等问题。

在国外，德国罗斯托克大学的Hannes Kroger[49]等人通过研究相关理论，发现了CIVB现象，还发现在旋转射流时可以产生涡，便提出了涡是稳定的且在涡内的流动具有轴向和径向速度的这一观点。日本的Teruhito Otsuka和Piotr Wolanski[50]利用PIV观察火焰的结构，分析了如何才能得到更加精准的速度场，且与其他学者探讨了如何选择最佳示踪粒子直径等问题。英国的Q Wang[51]通过研究有关理论，提出了之所以环形涡能够从喷嘴一直运动至火焰的下游位置是由于同轴空气的推动力这一观点。英国的Li-Wei Chen团队[52]提出将锁相技术与高速纹影技术相结合，从而探索在声场激励作用下，喷散火焰的喷嘴发生流动的特点，得到了在不同频率下声波的速度场以及扩散火焰所形成的纹影图像，这些都表明在声场刺激下，致使燃料流速存在一系列的波动不仅是因为声场，还受到附近空气运动的改变。P.Gopalakrishnan[53]提出将PIV与OH PLIF技术两者相结合的手段从而分析得出了燃烧器其停滞点的具体位置和NOx排放二者之间相关联的地方。

Papadopoulos等人[54]利用PIV检测到甲烷/空气扩散燃烧脉动火焰的速度场。Widmann等人[55]将三维PIV技术应用于旋流喷射火焰在喷嘴处的速度特性实验，对比分析了平行于喷嘴处3个方向上的速度。Han与Mungal[56]结合PIV技术与PLIF技术，也称之为激光诱导荧光法，测量了湍流射流的燃烧流场，从而取得了流场速度的分布。Kurosawa等人[57]将PIV测试技术应用于燃气轮机的燃烧室，对比了在预混燃烧和扩散燃烧这两种情况下的火焰速度场。

Kodal等人[58]采用PIV测量了不同雷诺数下的甲烷/空气扩散火焰的流场，进一步分析了湍流结构以及雷诺应力。Otsuka等人[59]采用PIV测量了不同当量比下的甲烷/空气预混火焰传播的速度、火焰的结构和速度的分布情况。Nye等[60]学者利用PIV测量了V型甲烷/空气预混火焰和卡门涡街相互作用产生的火焰，从而进一步验证了测量结果与OH-PLIF和数值模拟相类似。Muniz[61]等学者利用PIV测量了值班和抬升湍流的非预混火焰，进一步对值班火焰湍流的结构、卷吸以及伴流速度等特性进行研究。Adrian[62]提出即使缩短一些查询区尺寸也能利用PIV技术测量速度场存在的高阶脉动量，此外还与LDV进行对比，认为PIV利用燃烧流场所产生的湍流极大程度缩短了测量工作的劳动量。Yshion[63]提出利用PIV技术测量非稳态的分离流速度场，从而获得二阶统计的有关数据。Kim M等人[64]提出利用声场去扩散火焰的形态，称PIV和OH激光的诱导荧光，即PLIF相应用，从而取得火焰的峰面这一速度矢量图以及OH等值的云图，这一实验现象表明火焰由于声场的刺激可以在扩散锋面上展现一系列涡街。犹他大学的Eric Eddings在两相射流的火焰测量前提下采用PIV技术，并将煤粉作为示踪粒子去研究層流条件时在不同的当量比下射流煤粉所形成的火焰场，从而得出以煤粉作为示踪粒子在PIV的测量中是可行的[65]。

目前国外专家同样认为将PIV技术应用于复杂流场这一方法是可行的。Schroli[66]等专家实践了当压力至0.7MPa，来流温度到800K时，利用PIV技术测量可以得到单头部燃烧室内所产生的旋流流场的结构，表明燃烧使得PIV跨帧相机亮度过于饱和的问题迎刃而解。Ahmed[67]等人对单级旋流结构的燃烧室进行研究时提出将PIV技术应用于不同的主燃孔位置以及不同油气比条件下的流场。

杨浩林等人[68]率先在国内运用PIV技术去研究甲院同轴射流的扩散燃烧的流场，分析了火焰光的强弱是否会对结果产生影响，此外还解决了示踪粒子怎样导入燃气管。以往我国在利用PIV技术研究燃烧时大多是在冷态模拟情况下，郁炜等人[69]将PIV技术应用于燃烧流场，周见广[70]将PIV技术应用于带有钝体燃烧器的喷嘴出口位置的燃烧流场，对比分析了冷态的流场与燃烧火焰内部的流场。上海交大的团队成员[71]利用PIV技术测量了包括扩散燃烧和去旋转非预混燃烧等火焰流场。环形燃烧室流场的研究归功于南京航空航天大学觉新宪[72]等人，他们在考虑了主燃孔的尺寸、空间的排布、进口的空气温度以及一级轴向旋流器的旋流角度等影响因素的基础上，得到了流场速度的大小和脉动的速度及雷诺应力等一系列参数以及冷态流场在回流区的长度上长于燃烧流场，燃烧火焰流场的脉动速度大于冷态流场等结论。王成军[73]等人对于不同的叶片数以及第3级的旋流器叶片安装角设计了相对应的3级旋流器结构，分析了在PIV技术条件下燃烧室流场的特性。

总之，火焰的可视化在国外研究的比较多，在国内却发展较慢，主要是因为局限于无反应流场以及简单燃烧流场。在国内，燃烧流场的相关研究才兴起，将PIV应用于更为复杂的燃烧流场，尤其能够结合其它的技术将是以后研究的方向。比如国外开始结合纹影、PLIF等新技术结合PIV去测量更复杂的燃烧流场。

4结语

1）应用PIV的二维2D-3C和三维3D-3C系统可以对管道内瓦斯爆炸流场进行研究;所使用的二维2D-3C和三维3D-3C系统不同于2D-2C技术，其可以对流场的全部三维立体的速度场及管道内的瓦斯爆炸流场去进行研究分析。

2）爆炸流场示踪粒子的选择应统一标准，因为流场不同，PIV中用到的示踪粒子一样不相同。

3）PIV与纹影和PLIF等一些新技术相结合可测量更复杂的流场。

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（责任编辑：张江）