可燃气体爆燃转爆轰过程的机理探索
(整理)工业装置爆炸机理与过程分析.
工业装置爆炸机理与过程分析爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化。
在变化过程中，伴有物质所含能量的快速转变，即变为该物质本身、变化的产物或周围介绍的压缩能或运动能。
因此，它的一个重要特点是大量能量在有限的体积内突然释放或急骤转化。
这种能量在极短时间和有限的体积内大量积聚，造成高温高压等非寻常状态，对邻近介质形成急剧的压力突跃和随后的复杂运动，显示出不寻常的移动或机械破坏效应。
爆炸的一个显著的外部特征是由于介质受振动而发生一定的音响效应。
一般将爆炸过程区分为两个阶段：先是将某种形式的能量以一定的方式转变为原物质或产物的压缩能；随后物质由压缩态膨胀，在膨胀过程中作机械功，进而引起附近介质的变形、破坏和移动。
由物理变化引起的爆炸称为物理爆炸；由化学变化引起的爆炸称为化学爆炸。
一、工业装置爆炸过程现代科技和规模经济的发展，使工业生产及经济运行过程的技术密集性、物质高能性和过程高参数性更为突出，使工业装置的爆炸事故更具突发性、灾害性和社会性。
人们在经济、社会、科学、生产等广泛地实践中，会意外的遇到无数次意想不到的爆炸事故。
这种人们不希望出现，但是时时出现，处处出现的爆炸事故，这种爆炸事故所展示的技术工程问题和科学理论问题，是任何其他有目的的科研生产领域或有目的探索和研究所不能取代的。
它以另一个侧面为人类探索科学、发展经济、社会进步提供了大量的必不可少的理论问题和技术工程问题，是人类不可缺少的一类知识体系。
危险是客观世界普遍存在的一种物变趋势，爆炸现象又是这种物变过程中的突发事件、特殊事件、典型事件。
如果我们认真研究各类爆炸事故的技术状态及其存在的条件，研究工业装置及科学实验装置在正常、平衡、平稳、协调的运行中突发爆炸事件的转化机理和动态过程规律，就能揭示不同工业装置和科学实验装置出现的同一爆炸现象的基本规律。
爆炸事故是过程系统状态连续变化而出现的突变、突跃或突跳。
一般的工业装置及运行系统由设计参数，设计条件变为正常的生产运行和工程运作，依靠的是物质、能量、信息和控制系统的平衡、平稳、有序和协调。
爆轰
爆轰1、爆燃与爆轰爆燃以亚音速传播。
爆燃速率受反应区（火焰阵面）向未燃物的热量和反应组分扩散控制。
爆燃的实际速度取决于外部约束程度以及可燃混合物的尺寸和形状。
假定未燃气体处于静止，火焰则以特征层流燃烧速度传播进入未燃气体。
层流燃烧速度是未燃气体的基本参数，其值的大小反应了混合物的反应性。
如果未燃气体处于湍流，燃烧速度升高，称为湍流燃烧速度。
如果未燃气体处于运动状态，一个静止的观察者测得的火焰速度是未燃气体速度与燃烧速度的和，该火焰速度称为爆燃速度。
典型地，无约束混合气体的爆燃速度在几m/s，管道和其它含有重复设臵的障碍物的容积中，爆燃速度在几百m/s范围。
典型地，在含有燃料/空气混合物的密闭容器内，爆燃压力可以达到初始压力的7倍左右。
对低速爆燃，火焰阵面处的压力增加可以近似地用1.2M2来给出，这里M是马赫数（即爆燃速度除以未燃气体的音速）。
一旦爆燃速度达到音速，将会形成激波。
爆轰的主要特征见表附表1爆轰以超声速传播，典型地，对燃料/空气混合物其速度为1850m/s量级，对燃料/氧气混合物，爆轰速度为3000m/s量级。
当燃料为氢气时，相应的爆轰速度可能更高。
图1对比给出了爆燃波和爆轰波的结构。
对爆轰波，在反应区前方1－10mm处，有一个高压激波阵面，反应区为“火焰”（在快速爆燃中，反应区远远落在激波阵面之后）。
因为化学反应速率与温度呈指数关系，因而燃烧非常快。
由于较高的激波强度（或激波速度），因而产生高压。
图1 爆燃波与爆轰波的比较稳态的爆轰过程具有相应的特征压力/时间曲线，图2给出了典型的稳态爆轰波的压力/时间曲线。
爆轰波通过之后，压力突然增加，其后是一个光滑的变化区，逐渐过渡到恒定压力值。
在有些情况下，可以测得气体混合物发生点火之前被激波压缩的形成的高压区，这种所谓的“先导激波”区域被称为冯.纽曼尖峰，冯.纽曼尖峰处具有比爆轰压力更高的值。
稳态爆轰下，在化学计量比浓度附近，其初始压力上升值达到最大值，当混合物浓度向爆轰极限变化时，初始压力上升值逐渐降低。
爆炸机理与事故原因全面分析
清罐过程中收油管阀门处发生了原油渗漏，罐体 内形成了爆炸性气体环境，接入罐内的普通照明灯具 因接触不好出现闪灭打火，导致闪爆事故。
爆炸机理和事故原因全面
施工单位违章使用的非防爆电气和作业工具
爆炸机理和事故原因全面
爆炸机理和事故原因全面
爆炸机理和事故原因全面
案例二：大连石化8,29油品燃爆火灾事故
爆炸机理和事故原因全面
事故原因： 油面与浮盘分离提供可燃介
质形成的空间。 输油时静电提供点火源。 内部爆炸，油品溢出，外部燃烧。
爆炸机理和事故原因全面
案例三：大连中石油 “7.16”输油管道爆炸火灾事故 2010年7月16日18时许，位于大连市大连保税区
释放出大量的气体和能量（光能、热能、机械能） 并伴有巨大声响的现象。
火灾是失去控制并对人身和财产造成危害的燃烧
现象，它是一种事故。
爆炸机理和事故原因全面
燃烧和爆炸的区别联系
燃烧主要特征是发光和发热，与压力无特别关系。
爆炸主要特征是压力急剧上升和产生爆炸波。
在一定条件下，燃烧可以引起爆炸，爆炸也可以
爆炸机理和事故原因全面
案例五：南京 “7·28”地下丙烯管道爆燃事故
2010年7月28日10时10分，在南京市栖霞区迈皋桥街道万 寿村15号的南京塑料四厂地块拆除工地，个体拆除施工队挖掘 机挖穿了地下丙烯管道，丙烯泄漏后遇到明火发生爆燃。
事故最终造成22人死亡、11人重伤，120人住院治疗，造成 严重社会影响。
控制可燃物的措施： 控制可燃物，就是使可燃物达不到燃爆所需
要的数量、浓度，或者使可燃物难燃化或用不燃 材料取而代之，从而消除发生燃爆的物质基础。
爆震产生的过程控制原理
爆震产生的过程控制原理爆震产生是指在内燃机中燃气混合物在燃烧时，燃烧速度过快或者产生自燃点过低的物质导致燃气快速燃烧产生压力和温度的急剧增加，并伴随着剧烈的燃爆声响的现象。
爆震现象对发动机的工作性能和寿命有不利影响，因此，控制爆震产生是发动机设计和运行的重要问题。
爆震的产生与燃气混合物的组成、压力、温度、点火系统的状态、气缸工作条件等因素密切相关。
下面就这些因素来分析爆震产生的过程控制原理。
首先，燃气混合物的组成对爆震产生有重要影响。
燃气混合物中的烃类物质有不同的抗爆震能力，例如甲烷具有较高的抗爆震能力，而辛烷则具有较低的抗爆震能力。
因此，在设计发动机时需要根据燃气混合物的组成选择合适的点火适配曲线和使用适当的阻爆装置，以减少爆震的产生。
其次，燃气混合物的压力和温度对爆震产生有重要影响。
当燃气混合物的压力和温度过高时，燃气混合物的点火反应速度会变得很快，从而增加了爆震的发生概率。
因此，在发动机设计中需要合理设计气缸的散热系统，以控制燃气混合物的温度，并在气缸内设置合适的热隔离装置，以减少燃气混合物的压力上升速度。
另外，点火系统的状态也对爆震的产生具有重要影响。
点火系统的状态包括点火时机、点火能量和点火设备的工作状态等。
点火时机是指点火开始的时刻，当点火时机过早或过晚，都会增加爆震的发生概率。
因此，在设计发动机时需要精确控制点火时机，以确保在合适的燃烧时机进行点火。
此外，气缸的工作条件也会影响爆震的产生。
气缸的工作条件包括气缸的气缸压缩比、排气阀的开启时间和行程等。
当气缸的气缸压缩比过高时，燃气混合物在点火后的爆燃压力和温度增加，从而增加了爆震的可能性。
因此，在设计发动机时需要合理选择气缸的工作条件，以减少爆震的产生。
综上所述，爆震产生的过程受到燃气混合物的组成、压力和温度、点火系统的状态、气缸的工作条件等多个因素的影响。
在发动机的设计和运行中，需要优化这些因素的选择和控制，以减少爆震的发生。
这需要在发动机的设计、点火系统的设计和气缸的work时的一系列措施，实现合理的控制。
管道可燃气体爆炸传播机理研究
管道可燃气体爆炸传播机理研究[摘要] 可燃气体爆炸的传播实际上是火焰传播和压力波传播过程的相互耦合，火焰和压力波相互影响，共同作用构成了强烈的破坏效应。
本文主要探究火焰和压力波的传播机理，揭示二者之间的相互伴生关系，从而引出障碍物在可燃气体爆炸时对火焰和压力波的影响作用。
[关键词] 可燃气体；爆炸；伴生关系；障碍物1、火焰的传播的机理1.1 静电放电火花的点燃特性可燃气体混合物在静止的条件下被火源点燃后，形成一团薄层的层流火焰，然后将其能量不断输送给邻近的预混气体。
层流火焰的厚度一般为零点几毫米，由两个区域组成：反应区和预热区。
在反应区，通过化学反应产生热量，随后这些热量通过传导和分子扩散的方式输送到预热区。
在预热区，混合气被预热，这是预热区发生化学反应的先决条件[1]。
因此，热传导和扩散的分子传递现象组成了层流火焰波的基本传播机理。
在反应区中，燃烧产物温度很高，致使未燃烧的混合物受到压缩，产生一个前驱压力波。
随着火焰的向前延伸，相对于反应的混合物来说，火焰以层流的形式传播，这样就形成了爆炸状态下典型的“两波三区”结构，爆燃过程的两波三区结构如图1所示。
e—比内能；P—压力；ρ—密度；u—粒子速度；c—声速；T—温度；γ—等熵指数0区—初始状态；1区—前驱冲击波阵面过后流场状态；2区—爆燃波阵面通过后的流场状态图1 爆燃过程的两波三区结构预混气体在燃烧的过程中，如果火焰受到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会产生一定的压力，形成压力波，这个过程称为爆燃。
爆燃是由前驱压力波和后随的爆炸波阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧波。
它可以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失而沦为定压燃烧；相反，如果爆炸波的边界约束增强，压力波强度增强，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应区的压力波，就是爆轰波。
1.2 火焰的湍流传播在火焰传播过程中，由于火焰的不稳定性会使火焰的表面产生褶皱，增大火焰表面的面积，因此增大了火焰的有效速度，从而导致火焰传播速度加快。
火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证_秦亚欣
第26卷第7期2011年7月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVol.26No.7Jul.2011文章编号:1000-8055(2011)07-1488-07火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证秦亚欣,高 歌(北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室,北京100191)摘 要:为了研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变和不稳定爆震向稳定爆震的转变过程,对带环形孔板的爆震室进行了数值模拟.研究发现用较低的点火能量对爆震室中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,在孔板的阻碍作用和火焰诱导激波以及反射波的加速作用下,经过几个孔板的阻碍加强作用,在火焰和强激波之间的未燃物中形成爆炸中心,最终引爆未燃混气.同时对爆炸波向稳定爆震转变过程中遇到孔板产生三波点,以及马赫波向入射波转变的全过程进行了分析;对不同燃料在不同当量比下的起爆距离进行了研究,并与试验结果进行了对比.通过分析,对火焰加速和爆燃向爆震转变的过程有了更加全面的认识,为进一步试验提供了参考.关 键 词:火焰加速;爆燃向爆震转变;爆震波;障碍物;数值模拟中图分类号:V235122 文献标志码:A收稿日期:2010-06-30;修订日期:2010-12-08作者简介:秦亚欣(1982-),女,河北石家庄人,博士生,主要从事燃烧及相关领域的研究.Numerical simulation and experimental study on flame accelerationand deflagration to detonation transitionQ IN Ya -x in,GAO Ge(N ational Key Laboratory of Science and Technolog y on Aero -Engine Aero -thermo dynamics,School of Jet Propulsion,Beijing U niv ersity o f Aer onautics and Astr onautics,Beijing 100191,China)Abstract:Numerical simulations and experimental study in a detonation duct w ith or-i fice plates w ere carr ied out to study the phenom ena o f flam e acceleration and the evolutions of deflagratio n to detonatio n transition (DDT )and unstable detonatio n to stable detonation.The results of numerical simulatio n sho w that laminar flame is g enerated by low energ y ign-i tion in deto nation duct.T he laminar flame becomes turbulent flame in the obstruction of or-ifice plate and under the acceleratio n action of shock w av es and reflected w aves.T he turbu -lent flam e is strengthened m utually w ith its induced shock w aves.After a few orifice plates,/hot spots 0appear betw een the flame and the sharp sho ck w ave,and then detonate the un -burned mix ture.Triple -po int is fo rmed in the evolution of w eak deto nation to stable detona -tion w hen deto natio n w ave meets orifice plates.T he evo lution of M ach -pole to incident w ave tr ansition w as also analyzed.The detonation initiation distances at different equivalence rat-i o s w er e studied contrastively.Through calculation and analysis,deep understanding of flame acceleration and DDT w ere obtained,providing useful infor mation fo r further exper-i m ent.第7期秦亚欣等:火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证Key words:flame acceler ation;deflagration to deto nation transitio n;deto nation;o bstacles;numerical simulation在最短距离获得充分发展的爆震波仍是脉冲爆震发动机(PDE)需要突破的关键技术之一.爆震波的起爆有直接和间接两种方式:直接起爆所需能量非常大,一种替代方式是采用预爆管起爆技术,但需要额外易爆燃料、氧化剂以及控制系统,相应的发动机结构复杂;间接起爆主要是指采用较低点火能量利用爆燃向爆震转变(deflag ra-tion to detonation transitio n,简称DDT)的起爆方式,这是目前脉冲爆震发动机普遍采用的起爆方法.为缩短低点火能量下DDT距离,常用的方法是在爆震室内加障碍物[1-5],如孔板、Shchelkin 螺纹等等,相比于未加障碍物的光滑管,这种方式可以大大缩短DDT距离,从而缩短爆震管乃至整个发动机的长度[6-10].本文采用相同的点火能量对易爆燃料(乙炔(C2H2)和氢气(H2))和不易爆燃料(辛烷(C8H18))进行点火,研究其火焰加速过程,对易爆燃料在贫油工况下进行模拟主要是放慢火焰加速过程,研究加速过程中的激波变化情况、爆燃向爆震转变过程以及环形孔板对爆震波形成前后的影响作用;通过对不同燃料在不同当量比下的起爆距离对比研究,希望对火焰加速和DDT过程有一个全面而详尽的了解,为间接起爆的机理研究提供数据积累,并为合理设计脉冲爆震管提供有用的信息.1数值方法与计算模型1.1数值方法数值计算采用二维轴对称非定常流动的Nav ier-Sto kes方程来模拟流体动力学过程,近壁面采用非平衡壁面函数处理.以H2为燃料时采用多组分理想气体详细的化学反应机理模拟化学动力学过程,应用Chemkin(求解复杂化学反应流体问题的软件)数据库中H2/Air的9组分19步反应机理[11];以C2H2为燃料时采用16组分25步反应模型;以C8H18为燃料时采用单步反应机理模拟化学动力学过程.在方程离散格式上采用二阶迎风格式,在算法上应用对瞬态问题有明显优势的PISO(pressure-im plicit w ith splitting of operators)算法.为了取得较高的计算精度,时间步长采用适应性时间推进,最小时间步长为1@ 10-9s,最大时间步长为1@10-7s.1.2计算模型计算模型包括点火区、孔板区和光滑区,如图1所示.爆震室直径为50mm,长度为1000mm,点火区紧靠封闭端,长为5mm;孔板间距为50 mm,孔板数N=0,8,12,孔板数N=0时爆震室为光滑管,环形孔板的堵塞比为0.43[12].为了节省计算资源,采用轴对称模型,只计算模型的一半.为了克服外界对爆震室内流场的干扰,计算过程还增加了外区.计算网格为四边形网格,模型网格尺寸均为1m m,并采用了自适应网格技术[13],爆震室出口外区部分网格尺寸逐渐增大.图1计算模型Fig.1N umerical simulatio n mo del sketch map1.3初值及边界条件可燃混合物以压力为0.1MPa、温度为300K 充满爆震室,爆震室外区以空气填充.采用热点火方式,点火区的温度为2500K、压力为0.11MPa.模型下端为轴对称,右端连接外区,外区边界为压力出口,其压力和温度分别为0.1M Pa和300K,所有壁面、障碍物表面均为绝热、无滑移.2计算结果及流场分析2.1火焰加速过程以乙炔(C2H2)为燃料,空气为氧化剂,在当量比为0.57时,对孔板数N=8的模型进行模拟研究火焰加速过程,模拟结果如图2所示.C2H2需要的最低点火能量很低仅为0.02mJ,模拟采用的热点火能量远远超过了这个值,同时乙炔为易爆燃料,为了研究其火焰加速过程,所以只能在很贫油状态进行模拟.由于点火区的压力为0.11 MPa,略高于未燃区的压力0.1MPa,在爆震室内产生弱压缩波向开口端传播,同时带动未燃混气以较低的速度向开口端流动,火焰传播速度为146m/s.火焰诱导激波在孔板上反射产生反射波,反射波与激波相互作用加速火焰面的传播,速1489航 空 动 力 学 报第26卷度逐渐增大的火焰又对激波起到增强作用,如图2(c),(d),(e),(f)中的压力由0.21M Pa 增加到0.55M Pa;在孔板的阻碍和黏性作用下,火焰在轴线上传播得快,壁面附近传播得慢,形成了如图所示的凸形火焰,将不同时刻火焰锋面的距离除以时间间隔可以得到火焰传播速度,火焰传播速度由290m /s(t =0.801ms 时刻)增加到了630m/s(t =1.181m s 时刻);爆震室中混合物的流动速度在火焰加速的过程中也逐渐增大,在火焰锋面处的流动速度最大.随着时间的推移,火焰诱导的激波在孔板的作用下逐渐增强,激波在孔板前端汇聚在一起(图2(h)),在孔板后又扩散(图2(i)),再遇孔板又汇聚(图2(j)),经过反复几次汇聚,在火焰和强激波之间的未燃物中形成爆炸中心(hot spots),爆炸中心与未燃气中间存在很大的压力差,这个压力差的存在就会产生不稳定的过驱爆震波.图2 火焰加速过程流场参数变化F ig.2 Evo lutio n o f flo w field during flame acceler ation2.2 爆炸中心向稳定爆震的转变2.2.1 爆炸中心形成稳定爆震爆炸中心向稳定爆震转变过程的流场参数变化如图3所示.由以上分析可知,当量比为0.57时,第8个孔板处形成了爆炸中心,随后在光滑段上爆炸中心转变成爆炸波(图3(b)),爆炸波与壁面碰撞形成反射波即横波,反射波区的压力急剧增加(图3(c)),同时在壁面附近出现较小的马赫波;和入射波相连的马赫波不断扩张,波压力也不断衰减(图3(d));爆震波在向前推进的过程中入射波不断衰减,和其相连的两个马赫波不断逼近(图3(e),(f),(g ));然后相撞(图3(h),(i)),形成稳定的一维爆震波向开口端传播(图3(j)).图4是在爆震室中不同位置处的火焰传播速度,火图3 爆炸中心向稳定爆震转变F ig.3 Ev olutio n of /hot spot s 0to stable detonatio n1490第7期秦亚欣等:火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证焰在孔板区(L <410m m)加速到接近Chapman -Jouguet(CJ)爆震波速,最终在L =430m m 处火焰锋面与强激波耦合,形成爆震波;在爆震室中的光滑段,火焰传播速度始终维持在CJ 爆震波速附近,可以证明爆炸中心形成了稳定传播的爆震波.图4 火焰传播速度(C 2H 2/空气)F ig.4 Flame pr opagation velo city o f C 2H 2/air2.2.2 爆炸中心衰退未形成爆震孔板数N =8时,对当量比为0.6的辛烷(C 8H 18)/空气混合物进行火焰加速模拟,结果如图5、图6所示.孔板区内火焰加速向开口端燃烧,在第8个孔板处火焰传播速度为785m/s,激波压力也随之增加;L =450mm 处火焰传播速度上升到1055m/s,同时出现了爆炸中心即/热点0(图5(a),(b));/热点0逐渐向周围扩散,强度减弱,前导激波逐渐远离火焰锋面(图5(c),(d),(e),(f)),火焰传播速度也下降到650m/s 左右;随着时间的推移,火焰温度也开始下降,激波先于火焰向开口端传播(图5(g ),(h)),火焰传播速度基本维持在600~700m/s.2.3 孔板对爆震波形成前后的影响孔板数N =0,8,12时,对当量比为0.6的C 2H 2/空气混合物分别进行模拟,来研究孔板对爆震波形成前后的影响作用,结果如图7、图8所示.在爆震波形成之前,孔板对激波反射形成复杂波区并加快燃烧速度,完成DDT 过程;孔板数N =0时即在光滑管中模拟,发现火焰在壁面的作用下可以加速,但火焰诱导的激波压力很低,经过长距离的加速燃烧,出现/热点0,随后/热点0逐渐消散,直到爆震室出口时,燃烧速度仍然很低,压力仅为0.25MPa.图5 爆炸中心衰退Fig.5 Decline o f the /hot spots图6 火焰传播速度(C 8H 18/空气)Fig.6 F lame pro pag atio n v elocit y of C 8H 18/a ir孔板数N =8,12时,DDT 过程在第8个孔板之前完成(L =380mm 处).孔板数N =8时,爆震波传播到第8个孔板处发生反射,反射波区的压力急剧增加(图7(b)),凸形爆震波继续向前推进,反射波区的高压团向四周扩散,压力逐渐下降(图7(c),(d)),高压团最终在轴线上碰撞聚焦,压力再次升高(图7(e)),随后聚焦高压团沿轴线1491航 空 动 力 学 报第26卷向两侧传播,右传高压团对前传爆震波起到增强的作用,左传高压团在已燃气中逐渐减弱消失(图7(f)),最终形成稳定的爆震波向开口端传播(图7(g ),(h)).孔板数N =12时,在第8个孔板之前形成了凸形爆震波,凸形爆震波在壁面碰撞发生反射(图8(b)),与孔板数N =8时一样,反射波在轴线汇聚并加大前传爆震波的强度,前传爆震波经过第8个孔板后再次在壁面发生反射,在壁面附近形成由入射波、反射波和马赫波构成的三波点结构图7 爆震波在光滑管中传播F ig.7 D et onation pro pag atio n in duct w ithno o rificeplate图8 爆震波在带有孔板的管中传播F ig.8 D et onation pro pag atio n in duct w ithor ifice plates(图8(c),(d)),和入射波相连的马赫波不断扩张,不断向轴线上逼近,最终相撞,完成马赫波向入射波转变的全过程,此时爆震波再次在第9个孔板上反射,凸形爆震波在壁面发生反射,形成三波点重复以上过程,直到爆震波穿过孔板区到达光滑段(图8(e),(f),(g),(h),(i)),最终形成稳定的爆震波向开口端传播(图8(j)).图9为孔板数N =8,12时,不同位置上的CJ 爆震波速度.由此看出,孔板障碍物对CJ 爆震波速度基本没有影响,只是在刚形成爆震波后的一段距离内CJ 爆震波速度大小有轻微震荡,但都维持在稳定CJ 爆震波速度周围.模拟的稳定CJ 爆震波速度比同样情况下采用STANJAN 计算的CJ 爆震波速度1595m/s 稍大,可能是由于加入障碍物后,产生复杂的绕射波系和反射波,各种波系的反射和聚焦形成了较强的爆震波.图10为稳定的爆震波传播到L =850mm 时爆震室内轴线上的压力分布,爆震波的压力和推力壁附近压力均比STANJAN 计算的压力大,也说明形成了较强的爆震波.图9 爆震波传播速度Fig.9 Detonation pr opagation velocityof differ ent o rif ice plates2.4 混气当量比对起爆距离的影响孔板数N =8时,在贫油状态下不同当量比的起爆距离如图11所示.在C 2H 2/空气混合物的当量比小于0.6时,在爆震室的光滑段形成爆震,当量比大于0.6时,在孔板区产生爆震.对于C 8H 18/空气混合物来说,当量比小于0.7时,在爆震室内不能形成爆震;当量比为0.7时,在孔板区火焰加速到830m/s,高速火焰在光滑段壁面的作用下加速到了CJ 爆震波速,在L =600m m 处1492第7期秦亚欣等:火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证形成了爆震.图10 压力分布Fig.10 Pr essure distribution图11 不同当量比下的起爆距离F ig.11 Deto nation initiat ion distances atdifferent equiv alence r atios3 试验验证试验中采用在爆震室管壁上安装一系列的光电管采集火焰锋面的光信号,并通过数据采集卡中的计数器记录下每两个信号之间的时间间隔,用光电管的安装距离除以时间间隔就是火焰锋面通过两个光电管时的平均速度.试验模型如图12所示,孔板数N =20,孔板间距为40mm.图13为试验测得的火焰传播速度,可以看出当量比为0.9,1.0时火焰加速的过程.试验第一个数据点的值为距离推力壁100mm 处的火焰传播速度,当量比为0.9时,在距离推力壁420mm 处火焰传播速度达到1799m/s,已经达到CJ 爆震波速.当量比为1.0时,火焰传播速度从100mm 处的695m /s 增加到了340m m 处的1910m/s,可以看出火焰加速的全过程.由图9和图13图12 试验模型Fig.12 Ex perimental mo del sketchmap图13 试验CJ 爆震波速度Fig.13 Deto nat ion propag ation velocityin ex per iment s中的火焰传播速度对比发现,计算得到的CJ 爆震波速度比试验得到的CJ 爆震波速度大,这是因为计算是在比较理想的条件下,没有考虑任何损失得出的结果,同时由于点火能量不同、孔板间距不同,爆震波起爆距离也不同.在当量比U [0.8时,未能成功起爆,而计算中却可以形成爆震波,也说明了计算中采用的热点火方式的点火能量太大,使得爆震波在贫油状态下仍可以形成爆震波.4 结 论模拟结果表明,用较低的能量点火,形成层流火焰,火焰诱导激波在孔板上反射产生反射波,反射波与前导激波相互作用加速火焰传播,形成凸形火焰,增加了火焰的湍流度,同时火焰又对激波起到增强作用;较强的激波在孔板前端汇聚,在孔板后扩散,再遇到孔板又汇聚,经过反复几次汇聚,在火焰和强激波之间形成爆炸中心;爆炸中心与未燃气之间存在很大的压力差,这个压力差的存在就会产生不稳定的弱爆震波;弱爆震波在壁面或孔板碰撞形成反射波,同时在壁面附近出现1493航空动力学报第26卷较小的马赫波;入射波不断衰减,与入射波相连的两个马赫波不断扩张逼近,然后相撞,完成马赫波向入射波转变的全过程;在孔板区,具有三维特性的三波点持续存在,直到爆震波传播到光滑段后,逐渐形成稳定的一维爆震波向开口端传播;孔板障碍物在形成爆震波之前对火焰起到加速的作用,而对爆震波的速度基本没有影响;最后通过试验验证了相同模型中火焰加速的过程,试验中只能在高当量比下能够成功起爆,说明计算中采用的点火能量太大,使得爆震波在贫油状态下仍可以形成爆震波.参考文献:[1]W itt B,Ciccarelli G,Zhang F,et al.S hock reflection deto-nation in itiation studies for puls e detonation en gines[J].J ou rnal of Propulsion and Pow er,2005,21(6):1118-1125.[2]Lee S Y,Con rad C,Watts J,et al.Deflagration to detona-tion transition study usin g simultaneous s chlieren and OHPLIF im ages[R].AIAA2000-3217,2000.[3]李牧,严传俊,王治武,等.障碍物强化爆震起爆和传播的数值模拟与验证[J].西北工业大学学报,2006,24(3):299-303.LI M u,YAN C huan jun,W ANG Zhiw u,et al.Nu mericals imulation of and ex perim ental study on effect of rin g ob-stacles on detonation initiation and propagation[J].J ou rnalof N orthw ester n Polytech hnical U nivers ity,2006,24(3):299-303.(in Chinese)[4]李建玲,范玮,严传俊,等.脉冲爆震火箭发动机间接起爆实验研究[J].热科学与技术,2007,6(3):269-273.LI Jianling,FAN Wei,YAN Ch uan jun,et al.Exp erimentalin vestigation on indir ect in itiation of detonation in PDRE[J].Journal of T hermal Science and T echnology,2007,6(3):269-273.(in C hinese)[5]严传俊,范玮.脉冲爆震发动机原理及关键技术[M].西安:西北工业大学出版社,2005.YAN Chuanju n,FAN Wei.T he theory and key techn ologyof pulse deton ation engin e[M].Xi p an:North western Poly-technical University Press,2005.(in Ch ines e)[6]T angirala V E,Dean A J,Nobu yuki T,et al.Performanceof a pu lse detonation engine under su bsonic and supersonicflight conditions[R].AIAA2007-1245,2007.[7]刘建文,钟诚文,赵书苗.多管脉冲爆震发动机流场数值研究[J].推进技术,2007,28(6):674-678.LIU Jianw en,ZH ONG Chen gwen,ZH AO S humiao.Nu-merical inves tigation of mult-i tube pulse detonation engine[J].Journal of Propuls ion T echnology,2007,28(6):674-678.(in Chin ese)[8]W intenb erger E,Au stin J M,Cooper M,et al.Analyticalm odel for th e impuls e of single-cycle pulse detonation tube[J].Journal of Propulsion and Pow er,2003,19(1):22-38.[9]H ofer D C,Tangirala V E,Su res h A.Performance m etricsfor pulse detonation combus tor turbin e hybrid s ystems[R].AIAA2009-0292,2009.[10]张群,严传俊,范玮,等.多循环脉冲爆震发动机概念化设计[J].推进技术,2003,24(6):500-504.ZH ANG Qun,YAN Chuanjun,FAN Wei,et al.Conceptualdesign of m ult-i cycle puls e detonation engin es[J].J ou rnalof Propulsion Techn ology,2003,24(6):500-504.(in Ch-inese)[11]秦亚欣,于军力,高歌.脉冲爆震发动机喷管性能数值分析[J].航空动力学报,2010,25(2):366-372.QIN Yaxin,YU Jun li,GAO putational analysis onthe nozzle performance of pulse detonation engin es[J].J ou rnal of Aerospace Pow er,2010,25(2):366-372.(inCh ines e)[12]Ciccarelli G,H ickey M C,Bardon M,et al.Investigation offlame acceleration enh ancement for a puls e detonation en-gine in itiation system[R].AIAA2004-3746,2004. [13]Yun gster S,Perkin s H D.M ultiple-cycle simulation of apu lse detonation engine ejector[R].AIAA2002-3630,2002.1494。
可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰的机理研究
可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰的机理研究可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰的机理研究一直是火药化学领域内的重要课题，它研究的是航空、航天火箭、火药和火箭发动机等火力系统中可燃气体环境中火焰传播加速及爆燃转爆轰的机理。
在发动机和火箭运行中，可燃气体火焰的存在会增加火力系统的动能，因此探索可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰的机理非常重要。
可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰的机理首先是要了解可燃气体火焰特性，它可以分为两种形式：静止火焰和动态火焰。
静止火焰是指可燃气体在平衡状态下燃烧时，不由外界力而产生的火焰；动态火焰是因外力作用而产生，它会伴随有可燃气体的流动而形成。
可燃气体火焰的加速及爆燃转爆轰主要是由于火焰的动态特性所致，当可燃气体的流速增加时，会导致火焰的传播速度也增加。
当火焰加速到足以使火焰从爆燃流动转变为爆轰流动时，就会发生爆燃转爆轰的过程，此时可燃气体的火焰就可能被加速至超声速度，从而达到火力系统最大输出能力。
可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理的研究主要采用实验法和理论法两种方式。
首先，在实验室环境下，使用定距火焰探测系统，对可燃气体火焰进行测量实验，并用火焰视频技术对火焰进行影像观测，最终确定火焰的加速机理及极限速度；其次，使用火焰理论和数值模拟技术，以多相流理论为基础，从可燃气体进入火焰区中，到火焰传播加速，以及发生爆燃转爆轰，最终对整个可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理进行理论解释。
可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理在航空、航天领域及火药领域有着重要的应用价值。
以航空领域为例，火焰加速及爆燃转爆轰机理研究可以为飞机提供更高的机动性和更好的操控能力，保证飞机的安全性及机动性；火药领域的研究可以更好地驱动弹药的射出，使弹药达到最大射击距离，有效地保障攻击效果。
可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理研究是一个复杂且深奥的科学问题，它涉及到多学科的知识，如火力学、流体力学、数学、物理学、化学等，目前，许多研究者正在积极深入地探索可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰机理，期望在火力系统的发动机、火箭弹药等领域找到更好的应用。
第6章可燃气体爆轰
第9章可燃气体爆轰本章首先简要介绍爆轰、爆炸、爆燃等基本概念，然后着重论述了经典爆轰理论（CJ理论和ZND模型），给出爆轰波三维结构和胞格结构；最后分析典型爆轰基本现象（直管中气体爆轰、爆轰波反射、爆轰波绕射等）。
主要目的是使读者认识爆轰基本理论，搞清爆轰传播机理，并逐步掌握爆轰问题的分析和研究方法。
9.1 引言爆炸现象是自然界包括工业生产活动和人类活动中常见的现象之一。
所谓爆炸是指能量发生急剧转化的物理化学过程。
其包括物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三类。
如锅炉蒸汽爆炸属于物理爆炸，火药爆炸、可燃气体爆炸等属于化学爆炸，而原子弹爆炸、氢弹爆炸、宇宙大爆炸等属于核爆炸。
爆轰，相对于爆炸来说，相对狭义。
具体说，爆轰是在燃烧介质中激烈而且迅速传播的一种化学形式，燃烧产物质点运动方向与波传播方向一致。
爆轰在介质的传播速度相对于未燃介质是超声速的，这是爆轰区别于其它燃烧形式的最显著的特征。
因此，可将爆轰定义为：相对于未燃介质以超声速传播的激烈燃烧形式。
以恒定速度稳定传播的爆轰称为稳定爆轰；没有达到稳定速度的爆轰称为非稳定爆轰。
而爆燃是可燃介质燃烧速度相对缓慢（一般为每秒几厘米至几百米的量级）的一种化学形式。
其在介质中以亚声速传播，燃烧产物质点运动方向与波传播方向相反。
爆轰波是带有化学反应的激波。
即爆轰波由诱导激波和化学反应区组成。
诱导激波加热、压缩并引发化学反应。
化学反应释放的能量支持诱导激波并推动其在反应气体中传播。
因此，爆轰波与流体动力学中的激波不同，其不但包括诱导激波阵面，还包括其后紧跟的化学反应区。
一般来说，诱导激波厚度约10-5cm量级，化学反应区宽度为mm量级。
图1为直管道内的爆轰波。
可以看出，爆轰波并非平面波，而具有三维结构。
图2为爆轰波在斜劈上的反射。
由于壁面对爆轰波的压缩，导致马赫反射的形成，波阵面明显发生弯曲。
图3为爆轰波在管道开口处的绕射。
可以看出，爆轰波越强，受到开口的影响相对较小，离开开口后仍维持爆轰状态。
爆燃及爆轰表现和方法
• 爆燃转爆轰（DDT）在管道中尤其常见， 但是在容器或开放空间中却不太可能发 生。
转变机理
• 在一个装有预混可燃气体混合物的管子 里，如果一端封闭，在靠近封闭端处点 火，形成爆燃波。
• 爆燃波从封闭端向另一端传播。 • 由于波后的燃烧产物被封闭端限制，从
而使爆燃波后压力和温度不断升高，使 火焰加速。
• 爆轰又称爆震，它是一个伴有巨大能量 释放的化学反应传输过程，同时反应阵 面及其前方的冲击波以声速或超声速向 未反应混合物传播。
• 爆轰速度约在1500~9000m/s的范围。
（一）爆轰过程
图5-2气相爆轰物理模型（爆炸发生在左侧很远处）
（一）爆轰过程
• 对于爆轰，反应阵面的移动速度大于声速。 • 激波阵面（shock front）在反应阵面前方
• 由于爆炸性混合气体在点火以后到形成 爆轰有一段发展过程，在常压非扰动的 初始条件下，在管子或小直径容器中爆 轰的形成与管道或容器的长径比有关。
• 大型容器即使长径比小，也不能因此认 为不会引发爆轰。当有相当大的扰动产 生，或能量很高的点火源，也可使爆轰 在大型容器中产生。
7．催化剂
• 催化剂通常可以降低初始反应所需要的 能量，并可导致反应加速。
一、爆燃
• 爆燃发生时，反应阵面的传播速度低于 声速。
• 压力波阵面在未反应气体中以声速向前 传播，并逐渐远离反应阵面。
• 随着燃烧反应不断向前行进，反应阵面 会产生一系列单个的压力波阵面。
一、爆燃
• 这些压力波阵面以声速离开反应阵面并 在主压力波阵面处不断聚集。
• 由于反应阵面不断产生压力波阵面，造 成单个压力波阵面不断迭加，使得主压 力波阵面在尺寸上不断增加。
气体的爆炸原理及预防
气体的爆炸原理及预防姓名: 罗淑珍班级：安全14-3学号：16145319气体的爆炸原理及预防班级：安全工程2014-3班姓名：罗淑珍学号：16145319摘要：物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生具有声响的现象叫做爆炸。
爆炸也可视为气体或蒸汽在瞬间剧烈膨胀的现象。
爆炸事故往往与技术过程有关,来势迅猛，扑救不及时，事故迅速蔓延扩大甚至造成次生灾害。
爆炸事故之后常伴随有燃烧和火灾事故。
爆炸事故破坏性大，损失严重，人身伤亡惨重，恢复生产花费较大，时间较长。
气体爆炸是最常见的爆炸之一，采取有效的措施预防气体爆炸是十分重要的。
关键词：气体爆炸、爆轰、爆炸极限、气体爆炸预防1 气体爆炸的产生物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生具有声响的现象叫做爆炸。
爆炸也可视为气体或蒸汽在瞬间剧烈膨胀的现象。
与凝聚炸药爆轰完全不同[1],气体爆炸跨越燃烧到爆轰的整个历程。
工业事故爆炸中绝大多数以爆炸形式出现。
爆燃和爆轰有着本质的区别，其研究方法亦不同。
爆燃区别于爆轰的一个根本特点就是前者为亚音速流动，因此它与超音速流动的爆轰有很大的不同，特别是受环境条件和物理因素的影响极大。
1.1气体爆燃的产生爆燃是一种化学反应所支持的亚音速波，大多数燃料、空气混合物的爆炸属于这种类型。
火焰在预混气中正常传播时，会产生二氧化碳和水蒸气等燃烧产物，同时放出热量，并使产物受热、升温、体积膨胀。
如果受热膨胀的燃烧产物不能及时排走，则会产生爆炸。
例如密闭容器中预混气的燃烧，就会产生爆炸。
在自由空间预混气较多时，燃烧也会产生爆炸。
但由于部分热量向空间散失以及产物能有一定的膨胀，其爆炸压力一般低于密闭容器中发生的爆炸。
[1]赵衡阳. 气体和粉尘爆炸原理. 北京理工大学出版社. 1996-2. 23-23，39-401.2 气体爆轰的产生在某些条件下，混合气体可以激发爆轰。
在长细比不超过5的容器中，普通燃料空气混合物很难形成爆轰。
可燃气体的燃烧爆炸
1.热点火机理
在热点火理论中，物质因自热而引起着火，从阴燃到明燃
直至发生爆炸的现象，称为热爆炸或热自燃，习惯上也称自动
着火或自动点燃。从化学反应动力学观点看，热爆炸是一个从 缓慢氧化放热反应突然变为快速燃烧反应的过程，当化学反应 系统中放热速率超过热损失速率时，由于热积累致使反应物自 动加热，反应过程不断自动加速，直至爆炸发生。判断爆炸发 生与否的临界点的数学描述称为临界条件，由临界条件导出的 系统物理、化学和热力学参数称为热爆炸判据。
① 闪燃与闪点 可燃液体(或固体)表面蒸气达到一定浓 度形成可燃性混合气体时，在点火源作用下 就会发生燃烧。在形成可燃性混合气体的最 低温度下所发生的瞬间火苗或闪光燃烧现象 称为闪燃。此时所对应的液体(或固体)表面 温度称为闪点。当可燃液体或固体温度高于 闪点时，随时都有被外界明火点燃的危险： 而当温度低于闪点时，由于蒸气压太小不足 以在空气中形成可燃性气体混合物，因而不 能被外加明火点燃。闪点随可燃液体(或固体
计算公式：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱL下
100% 4.76 （N 1） 1
L上
4100% 4.76 N 4
式中，L下——爆炸下限； L上——爆炸上限； N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数。
示例
试求乙烷在空气中爆炸浓度下限和上限
乙烷的燃烧反应式 ： 2C2H6+7O2→4CO2+6H2O
可知N=7 ，代入公式，计算得：
两种燃烧形式的特点
如图所示的火炬燃烧，火焰的明亮区是扩散区，可
燃气体和氧分别从火焰中心（燃料锥）和空气扩散到 达扩散区的。这种火焰燃烧速度很低，一般小于 0.5m/s。由于可燃气体与空气是逐渐混合并逐渐燃烧 消耗掉，因而形成稳定的燃烧，只要控制得好就不会 发生火灾。除火炬燃烧外，气焊的火焰和燃气加热等 也属于这类扩散燃烧。 在预混气的空间里，充满了可以燃烧的混合气，一 处点火，整个空间立即燃烧起来，发生瞬间的燃烧， 即爆炸现象。此外，如果可燃气体处于压力而受冲击、 摩擦或其他着火源作用，则发生喷流式燃烧。像气井 的井喷火灾，高压气体从燃气系统喷射出来时的燃烧 等。对于这种喷流燃烧形式的火灾，较难扑救，需较 多救火力量和灭火剂，应当设法断绝气源，使火灾彻 底熄灭。
第5章-气体爆轰理论概要教学文稿
用； 3、各组分的爆炸浓度极限已知。
31
4.2.2爆炸浓度极限的计算
【例】某天然气含甲烷80％，乙烷15％，丙烷4％， 丁烷1％，求天然气的爆炸浓度极限。 设A、B、C、D分别表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷
……(1)
35
4.3 气体爆轰参数的计算
由等熵方程 pvk A 可得：
dp k pj
dvs,M
vj
由CJ条件知： pj p0 k pj
v0 vj
vj
移项整理可得：
v0 vj
j 0
k1 p0 k kpj
忽略 p 0 得:
v0 j k 1 vj 0 k
……(2) ……(3)
……(4)
36
4.3 气体爆轰参数的计算
它们与空气构成的爆炸性混合物的爆炸浓度极限
可根据理·查特里（Le·Chatelier）法则计算，
即
Lm ixV1
V2
100 V3 Vn
L1 L2 L3
Ln
式中 V1,V2,V3Vn 分别为第i种组分在可燃物中的浓度。 L1,L2,L3Ln 分别为第i种组分的爆炸浓度极限（下
限或上限）。
30
4.2.2爆炸浓度极限的计算
41
4.3 气体爆轰参数的计算 【作业】： 根据上述例子，计算常温常压下CH4＋2O2混合气
体发生爆炸时的爆速和CJ压力。 （k＝1.28）
42
4.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
43
4.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
目前为止，爆轰波结构总是基于ZND模型中提 出的一维的、光滑的稳定爆轰波。但实际上， 爆轰波阵面是三维的、不光滑的、不稳定的。
爆炸机理与事故原因全面分析
爆炸机理和事故原因全面
物理爆炸：
物理爆炸是由物理变化（如温度、压力、体积等 变化）引起的爆炸。
如，氧气瓶受热升温，引起气体压力增高并超过 钢瓶的极限强度时发生的爆炸；
爆炸机理和事故原因全面
化学爆炸：
化学爆炸是物质在短时间内完成化学反应，形成 新物质，产生高温、高压而引起的爆炸。
爆炸机理和事故原因全面
国石油辽阳石化分公司炼油厂原油输转车间7＃罐内 进行清罐作业时，发生可燃气体闪爆事故，造成5人 死亡，5人受伤。 直接原因分析
清罐过程中收油管阀门处发生了原油渗漏，罐体 内形成了爆炸性气体环境，接入罐内的普通照明灯具 因接触不好出现闪灭打火，导致闪爆事故。
爆炸机理和事故原因全面
施工单位违章使用的非防爆电气和作业工具
定压燃烧是无约束的敞开型燃烧，其燃烧产物 能及时向后排放，其压力始终与初始环境压力平 衡。
爆燃是一种带有压力波的燃烧。压力波传播速 度比燃烧阵面（火焰阵面）要快，爆燃是一种不 稳定的燃烧状态的燃烧波。它能够衰减为定压燃 烧，也能够因为火焰加速而成为爆轰波。
爆炸机理和事故原因全面
气体与粉尘爆炸的基本模式：
的大连中石油国际储运有限公司原油罐区输油管道发 生爆炸，造成原油大量泄漏并引发大火。大火持续燃 烧15个小时，事故现场设备管道损毁严重，周边海域 受到污染，社会影响重大，教训深刻。
爆炸机理和事故原因全面
事故现场形貌：
爆炸机理和事故原因全面
案例四：中石油辽阳石化公司“6.29” 爆燃事故
事故简要经过 2010年6月29日16时左右，辽阳电线化工厂在中
释放出大量的气体和能量（光能、热能、机械能） 并伴有巨大声响的现象。
火灾是失去控制并对人身和财产造成危害的燃烧
可燃气体的火焰加速及爆燃转爆轰过程的数值模拟研究
太原理工大学硕士研究生学位论文可燃气体的火焰加速及爆燃转爆轰过程的数值模拟研究摘要可燃气体的爆炸过程包括点燃、火焰加速以及爆燃转爆轰过程，在各个阶段中火焰的传播原理都不相同。
了解火焰加速及爆燃转爆轰的原理对于气体爆炸事故的预防和处理具有重要的作用。
由于气体燃烧与爆炸实验的高昂代价以及危险性，利用高性能计算机对火焰传播过程的数值模拟研究已经成为当前主要研究方式之一。
针对可燃气体燃烧与爆轰的物理过程，通过编写直接数值模拟算法对氢气在空气中以及氧气中的的点燃与燃烧以及爆轰过程进行模拟研究，并分析计算结果。
以下对本文的主要研究内容及创新成果进行说明。
（1）完成了描述火焰传播过程的多组分可压缩Navier-Stokes方程的物理模型推导，以有限差分法为数学原理，对对流项的空间离散采用五阶WENO 格式，对黏性项和扩散项的空间离散采用六阶中心差分格式，对时间迭代采用三阶Runge-Kutta格式进行计算。
将一步化学反应模型和详细化学反应模型添加入物理模型中，编写了大规模高精度计算程序，实现火焰传播过程的直接数值模拟，通过计算常压下的火焰燃烧过程的物理参数和实验结果对比，验证程序的准确性和收敛性。
（2）比较了不同化学反应模型对氢气空气混合气体的点燃、火焰加速及爆太原理工大学硕士研究生学位论文燃转爆轰过程的影响，包括不同初始压力条件下的层流火焰速度、绝热火焰温度、点火延迟时间。
发现一步反应模型不能正确地描述点火延迟时间和高压条件下的层流火焰速度，而详细反应模型的计算结果与实验数据保持一致。
这是因为一步反应模型的模型参数是通过常压下的物理状态参数反推计算得到的，因此只能模拟对应状态下的火焰传播过程，另外由于一步反应模型没有吸热反应阶段，因此在化学反应过程中直接开始放热升高温度，使得一步反应模型的点火延迟时间比详细反应模型的计算结果和实验数据要低数个量级。
（3）通过计算一维温度梯度模型问题，分析氢气空气混合气体的爆燃转爆轰过程。
天然气燃烧反应机理与爆炸极限
天然气燃烧反应机理与爆炸极限（最新版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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约束空间内多元气体爆炸及其转燃烧规律
约束空间内多元气体爆炸及其转燃烧规律可燃气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一,特别是涉及多种气体混合而成的多元可燃气体的爆炸事故,其过程更为复杂,有效地预防和控制此类工业灾害性事故是安全生产领域亟待解决的重大课题,受限空间内多元气体的爆炸机制是此类事故预防的基础。
另一方面,为解决过度使用传统化石燃料引起的环境污染问题及能源危机,氢气或高含氢燃料作为一种新的清洁可替代能源引起国内外的广泛关注,而氢能源使用中的安全性问题是氢气技术应用的关键,也是氢能源发展和推广所面临的重大挑战。
本文以甲烷-氢气-空气混合气体为研究对象,通过实验研究和数值仿真技术对其在受限空间内的爆炸物理过程和物理机制及爆炸灾害效应进行研究,揭示了混合气体浓度、混合气体组分比例和其他约束条件对爆炸效应的影响规律,主要工作和创新性成果如下:一、氢气对甲烷气体爆炸特性的影响规律涉及多种气体混合而成的多元可燃气体的爆炸事故过程十分复杂,国内外对于气体爆炸的研究工作大多是针对单一可燃气体展开,极少关注如矿井气体、城市燃气、石油化工气体及新能源气体等多元气体的爆炸特性及灾害后果,同时高含氢燃料在使用中的安全性问题是氢能源发展和推广中所面临的重大挑战,而目前对此类多元爆炸性气体的爆炸性质缺乏系统的研究,本文以典型多元可燃气体(CH4-H2-Air)为研究对象,通过实验和数值模拟相结合的方法,对其爆炸特性进行系统研究,得到氢气的存在对于甲烷爆炸压力、爆炸强度指数、爆炸温度和点火延迟期等特性的定量影响关系,并得到气体浓度(当量比)及约束条件对CH4-H2混合气体的爆炸特性及灾害效应的影响规律,给出CH4-H2混合气体最小点火能的普适性计算方法,可根据特定当量比条件下甲烷和氢气的最小点火能计算得到此当量比时任何组分比例混合物的最小点火能。
二、三维密闭空间和泄爆条件下气体燃爆的体积效应迄今为止,有关实验研究的报道主要是一些在特定工况下获得的实验结果,这种结果是否具有普适性,特定条件下获得的气体爆炸特性参数及规律能否真实地反映实际工况中气体爆炸灾害过程关乎实验方法的有效性。
气体爆炸机理
气体爆炸机理及研究方法和研究现状目录1瓦斯爆炸机理 (2)1.1瓦斯爆炸链式反应机理 (2)1.2 瓦斯爆炸火焰加速机理 (2)2瓦斯爆炸的研究方法及进展 (3)2.1实验室研究 (4)2.2数值模拟研究 (5)3未来展望 (5)参考文献 (6)摘要：本文讨论了瓦斯爆炸的链式反应机理和火焰加速机理，认为瓦斯爆炸过程是两种机理共同作用的结果。
此外还对瓦斯爆炸的研究方法和研究进展进行了总结。
关键字：瓦斯爆炸；实验研究；数值模拟；进展矿井瓦斯爆炸事故的频发造，造成了严重的人员伤亡和社会影响。
瓦斯爆炸机理的研究对矿井瓦斯爆炸事故的预防有重要意义。
1瓦斯爆炸机理1.1瓦斯爆炸链式反应机理较低温度下(900K)甲烷氧化爆炸反应遵循链式反应机理，由链引发、链传递、链分支、链终止四个阶段构成，主要为 8 个基元反应方程。
1.2 瓦斯爆炸火焰加速机理现阶段, 瓦斯爆炸火焰传播机理还主要集中于在管道内传播机理分析。
管道内瓦斯爆炸后火焰会自发加速直到爆轰为止，具体过程如下：火焰加速、冲击波压缩、冲击波相互作用、冲击波增强、压缩和加热未燃气体, 最终在前驱冲击波和火焰阵面之间产生爆炸,并形成爆轰。
在点火后瓦斯爆炸初始阶段，火焰通常是层流的，随着火焰从点火中心生长，就会逐步“湍流化”。
这个过程就是我们所说的火焰加速机理。
初始层流火焰在一定条件下会转变成湍流火焰，使火焰加速。
这种转变主要通过以下两种机制实现：（1）当雷诺数足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；（2）压力波与火焰的相互作用形成湍流。
事实上，火焰加速机理的具体描述到目前为止并不多，形成的火焰加速机理理论还有: 在气相燃烧理论中的压力波与燃烧阵面相互作用而导致界面不稳定性理论; 由火焰产生的前驱冲击波对未燃混合物的加热和压缩的正反馈机理; 火焰阵面微分加速机理;火焰阵面湍流加速机理等。
具体哪种加速理论更加具有适用性，还取决于现阶段实验条件，所以需要进一步研究。
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可燃气体爆燃转爆轰过程的机理探索姜宗林，滕宏辉，王春（中国科学院力学研究所，中国科学院力学高温气体动力学重点实验室，北京，100080）摘要：本文讨论了可燃气体起爆的两个重要现象：即热点爆炸和反应带加速。
研究表明它们是爆燃转爆轰过程中的两种基本流体物理化学过程，都依赖于气体动力学非线性波传播和化学反应不稳定性的相互作用。
在化学反应过程中，当可燃气体达到某一临界状态时对温度扰动非常敏感，微弱的温度扰动可以导致化学反应突然加剧，相应的放热膨胀会产生系列压缩波，并以当地声速向周围传播。
当压缩波穿过反应与未反应气体面时，由于剧烈的温度变化导致的当地声速突然下降，造成压力波汇聚、形成压力脉冲。
压力脉冲可以进一步提高反应界面附加气体热力学状态，而温度的提高又诱导了更剧烈的化学反应。
这样一种正反馈机制强化了激波和化学反应，支持了热点爆炸和反应带加速。
一般来讲，热点形成于一个球形区域，相应热点爆炸可以产生过驱爆轰，然后经由一个准稳态过程发展成为稳定爆轰。
反应带是较窄的带状区域，参加反应的可燃气体相对较少，反应带加速到稳定爆轰是一个渐进过程，没有明显的过驱现象。
反应带加速和稳定爆轰的反应区相比，前者存在着明显的反应诱导期，具有更多的反应气体和更高的放热速率。
而后者则在三波点碰撞的支撑下围绕CJ爆轰状态作周期性的变化。
1 引言自然界存在着两种可燃气体燃烧现象：一种是层流燃烧（Laminar Deflagration），相对于未燃气体的传播速度为每秒数米的量级，在无限空间里燃烧产生的超压是微弱的。
一种是爆轰（Detonation），传播速度为每秒数千米，燃烧过程伴有强烈的压力升高。
层流燃烧依赖于分子扩散和热传导速率；爆轰传播依赖于前导激波的绝热压缩和自燃气体化学能的支撑。
这两种燃烧现象广泛存在于自然界和各种工程实际中，可以迅速地由一种模式转变为另一种, 即火焰加速和熄爆。
层流燃烧和爆轰依赖于完全不同的物理化学机制，以有两、三个量级差别的速度传播，那么这种转变是怎样实现的？特别是对于爆燃转爆轰，是什么样的物理机制支撑了这种转变？这一直是爆轰物理研究的难题。
根据Lee的分类[1]，爆轰波的形成有两种模式：一种模式是借助足够强的点火源产生爆炸波形成过驱爆轰再发展为稳定爆轰；另一种是通过火焰面加速相对缓慢地过渡到稳定爆轰。
前一种称为直接起爆，借助强烈的爆炸波完成；而后一种模式则经过爆燃转爆轰过程（Detonation Deflagration Transition, 简称DDT），被称为自起爆模式。
最近的研究还表明：即使在点火能量足够实现直接起爆的条件下，点火冲击波的强度往往迅速衰减过CJ爆轰状态，然后再重新加速到稳态爆轰波[2]。
这个过程称为爆轰波发展的准稳定期，与DDT发展的后期过程是一致的。
因此探索DDT发展机制对于研究可燃气起爆是具有普遍性的。
DDT是一种基本燃烧现象，过去几十年内一直是燃烧理论主要研究的基础问题之一[3]。
大量的实验证实：DDT是一个涉及到爆燃波、激波、剪切层、湍流、化学反应、流动不稳定性及这些因素相互作用的复杂过程[3]。
过去的研究进展表明DDT涉及到两个重要的流动物理过程：即热点起爆和火焰加速。
人们对热点起爆研究比较多，常常称为“爆炸中的爆炸”（Explosion in Explosion）[4] 。
关于火焰加速的研究相对较少，而且常常包含一些复杂的现象，如湍流火焰传播、热点形成、界面不稳定性等等。
为了建立关于爆轰波发展和传播的一般性理论，有必要对DDT过程中的一些重要现象进行深入的探索，区分、定义出一些基本的气体物理过程，用来作为构造爆轰理论的基础过程。
本文应用DCD格式求解了二维多组分NS方程和基元化学反应模型，分别对三个典型算例进行了数值模拟，考察了爆轰波形成过程中热点起爆和反应带加速，探讨了爆轰波发展与传播机制。
2．物理问题描述本文选择了三个典型算例。
图1(a) 给出了环形激波聚焦诱导可燃气起爆的示意图，作为第一个算例，应用于热点起爆研究。
计算域由激波管和同轴安装的圆柱体组成，内外半径之比为d:D。
入射激波在圆柱体端面绕射，虽然绕射会使激波强度下降，但绕射过程后期几何域的收敛将使绕射波越来越强度，最后在聚焦点附近形成高温高压区，诱导出化学反应。
由于点火区是由激波聚焦形成的，汇聚能量可以通过改变入射激波强度或者计算域的半径比来调节，从而有利于研究形成热点临界状态。
计算应用的是恰当化学当量比的氢气/空气混合物（2H2+O2+4N2），初始状态为1.0atm和300K。
入射激波从左向右传播。
Figure图1 物理问题简化示意图和计算域：(a)环形激波聚焦起爆，(b)激波/爆燃波相互作用第二个算例如图1(b)所示，应用于反应带加速研究。
计算域为二维等截面直管道，设置一电火花源和入射激波，这个算例在文献中也有研究[4]。
首先电火花点燃可燃混合气，形成向周围传播的爆燃波。
然后入射激波和爆燃波波面相互作用，形成R－Ｍ不稳定界面。
适当设置入射激波强度避免激波诱导直接起爆，从而可以观察反应带加速形成爆轰波的过程。
3. 热点起爆图2 热点发展过程中的四个相继时刻流场的压力(上)与温度(下)分布Oppenheim的实验发现了热点起爆现象[4]，人们据此认为“热点”普遍存在于各种起爆过程中。
他给出的一系列的纹影照片显示了热点在湍流火焰刷附近形成，然后发展成为稳定爆轰。
后来的实验进一步表明热点也产生于火焰面、边界层、失稳接触面和激波碰撞点附近，其发生位置有一定的随机性。
虽然在最近几十年中对热点起爆进行了不少研究，但是由于热点起爆的突发性和随机性，对相关的流体物理化学过程仍然缺乏深入的认识。
在第一个算例里分别给定入射激波马赫数2.70和2.72，得到了两种性质完全不同的流动。
马赫数为 2.70时的激波绕射、聚焦和反射与在惰性气体中的运动完全相同，没有观察到明显的化学反应。
图2显示了马赫数为 2.72时聚焦点附近四个不同时刻的流场，表现了聚焦点火形成热点并发展成为爆轰波的过程。
激波聚焦后首先在对称轴上形成了如图2(a)所示的高温燃烧区，上游燃烧区里的剧烈放热反应产生了如图2(b)所示的系列压力波。
这些波在燃烧区内部可以相继传播，但是在向燃烧区外部传播时，界面上剧烈的温度梯度造成的声速变化使压力波在火焰阵面前沿附近积聚形成压力脉冲。
压力脉冲提高了当地可燃气的热力学状态，进一步加速了化学反应。
在这种正反馈机制的作用下，非线性波和化学反应的相互作用使热点在汇聚点附加形成，并发展成为如图2(c)所示蘑菇状的燃烧区，称之为爆轰泡（Detonation Bubble）。
爆轰泡向下游迅速传播，吞噬前方的爆燃波波面，最终形成一个可如图2(d)所示的稳定爆轰波。
图3 对应于图2(c)时刻流场中两条直线上的压力和温度分布为了区别热点发展过程的爆燃波与爆轰波，图3给出了对应于图2(c)流场中，r=1.05和1.17两条直线上压力和温度的分布曲线。
直线r=1.17位于蘑菇状燃烧带的下游部分，图3的相应曲线表示激波和反应带是解耦的，波后温度大约800K，反应带温度达到2700K，跨过反应带没有剧烈的压力变化。
所以这里的反应带对应的是爆燃波。
直线r=1.05位于蘑菇状燃烧区的上游部分，可以看到激波和反应面紧密的耦合，相应的波后参数也超过了CJ爆轰参数，这说明已经形成了爆轰波。
为了进一步说明爆轰泡的发展过程，图4显示了四个不同时刻，在聚焦点附近沿对称轴上的压力、温度、OH和H2O密度分布。
曲线按时间排序，首尾两个结果的时间间隔为0.53毫秒。
第一个时刻的曲线的温度峰值约为2500K，相应的压力和OH，H2O 密度也比较低，此时仍然是爆燃波。
爆燃波分别向上、下游传播，向下游传播的波后气体的热力学状态没有明显的变化；但是向上游传播的波面附近压力和温度迅速增加，形成了热点。
热点处的脉冲压力可以高达到15.5MPa，温度3000K，如图4(a)和(b)所示。
同时相应的OH和H2O的浓度也到达了最大值，如图4(c)和(d)所示。
这说明剧烈的化学反应诱导了热点爆炸，形成了过驱爆轰。
然后脉冲压力下降，过驱爆轰趋向CJ状态过渡，这和爆轰直接起爆过程是类似的。
上述分析可见，热点起爆有四个特征：存在达到临界状态的未反应气团；气动非线性和化学反不稳定性性的耦合作用；气体爆炸产生的过驱爆轰波；过驱爆轰波到稳定爆轰的过渡。
图4热点起爆过程中四个不同时刻沿对称轴上的压力、温度、OH、H2O分布4.反应带加速过去几十年的研究使人们认识到火焰加速在爆轰波形成过程中具有重要作用。
流动显示结果表明火焰面发展到一定程度后会突然变厚，然后发展成爆轰波。
在大多数研究中，火焰加速往往涉及到很多复杂的物理过程，如湍流火焰传播、热点形成、界面不稳定性等等。
本文将反应带加速将作为一个爆轰形成过程中的基本现象，以区别于复杂的火焰面加速，并阐明其发展形成过程及其与热点爆炸的同异之处。
图5反应区加速过程中四个不同时刻的压力(上)与温度(下)流场图5给出了第二个算例的部分结果，表示了在Rithmyer-Meshkov不稳定性作用下，向上游传播的反应带加速形成爆轰波的过程，每张图的上半部表示压力等值线、下半部表示温度云图。
从图5(a)可以看到反应带放热膨胀形成了一系列的压力波。
这些波由于气动非线性，由于向上游的传播速度突然下降，从而“积聚”在反应带前沿。
图5(b)中更加密集的等压线说明加剧的化学反应产生的压力波在反应面上发生了更强的积聚。
图5(a)所示的化学反应面是凸起的，因此波后压力和温度在流动扩散的作用下应该减小。
然而越来越剧烈的化学反应形成的更强的压力波不仅弥补了流动的扩散效应，而且使反应带热力学参数进一步的提高。
由图5(c)可以看到在反应带凸面前缘点上形成了一个温度峰值，同时相应的压力进一步提高。
最后，一段弧形带状的爆轰波形成，吞噬其它燃烧面形成如图5(d)所示的爆轰。
这种起爆发生在凸起的反应带上，非线性压力波和放热反应耦合是主要物理机制。
图6反应区加速过程中直线y=0.6上的压力和温度分布为了考察反应带加速过程的气体热力学参数，图6所示了沿着直线y=0.6不同时刻的压力和温度曲线分布，曲线的时刻由右至左。
由于直线y=0.6正好穿过凸起反应带的中部，其上的参数变化可以用于研究反应带加速状态。
第一条压力曲线存在一个压力脉冲，表明压缩波在反应带前沿上发生了“积聚”。
随着反应带向上游传播，波前的峰值压力越来越大，相应的温度梯度也越来越高。
这是一个前导激波不断增强，反应带燃烧反应速率加速的过程。
由图6(a)可见，峰值压力在第四条曲线达到了最大值，约为9.0MPa，随后略微下降，再维持基本不变。
同时图6(b)所示的第四条温度曲线上有一个小的尖峰，并在第五条温度曲线上达到大约3800K，最终可达4000K，然后基本保持不变，这就是爆轰形成的一个标志。