大连理工大学
硕士学位论文
内置障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值模拟
姓名：梁春利
申请学位级别：硕士
专业：安全技术及工程
指导教师：毕明树
20050618
大连理工大学硕士学位论文
摘要
气体爆炸事故每年都会造成重大的经济损失和人员伤亡。因此对可燃气体爆炸的研究是安全技术领域的主要课题之一，具有十分重要的社会和经济意义。
在可燃气体爆炸研究方法中，实验研究受到场地条件、测试手段以及实验经费等诸多限制难以得到普遍的规律。而随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为研究可燃气体爆炸问题的重要方法之一，并得到了广泛应用。
本文主要基于均相反应流时均方程组、ｋ一占湍流模型和ＥＢＵ．Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ燃烧模型，建立了均相湍流燃烧流动的理论模型。利用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，对内置障碍物受限空间内丙烷，空气预混气体爆炸过程进行了二维空间的数僮模拟。
为验证数学模型及计算方法的有效性，对容器内预混可燃气体爆炸的发展过程进行数值模拟。与实验结果相比较，计算结果的偏差不大于１０％，满足工程需要。并且数值模拟火焰阵面与实验拍摄照片吻合良好。
在此基础之上，对内置障碍物受限空间内可燃气体爆炸过程进行数值模拟，结果表明：
（１）可燃气体点火初期，障碍物对火焰阵面的扰动非常小。当火焰接近障碍物时，火焰阵面发生显著变化。随着障碍物高度的增加，火焰阵面被拉伸变形的程度越来越大，导致火焰速度迅速增加，随障碍物数量的增加，火焰速度急剧增大，揭示了障碍物和湍流引起火焰加速的正反馈机理。
（２）在密闭容器中，障碍物的阻塞率对最终爆炸压力基本不产生影响，而对火焰阵面的形状、速度场和压力场的分布存在显著影响，这可为受限空间内设施的合理布置提供依据。
（３）在开口体系中，未设置障碍物的容器内，最大超压出现在出口处。而对于内置障碍物容器来说，随着障碍阻塞率增大，超压越来越大。、
关键词：可燃气体爆炸；火焰速度；爆炸压力；湍流燃烧；数值模拟
内戤障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆａｃｃｉｄｅｎｔａｌｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓｔｈａｔｈａｖｅｈａｐｐｅｎｅｄｅｖｅｒｙｙｅａｒｈａｖｅｐ．强ｔｕｓｅｄｇｒｅａｔｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏｓｓａｎｄｃａｓｕａｌｔｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆｌａｍｍａｂｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｍａｉｎｔａｓｋｓｉｎｔｈｅｓａｆｅｔｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｉｅｌｄ．
Ｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｃａｎｎｏｔｐｍｖｉｄｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｌａｗｆｏｒｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｉｅｌｄ，ｔｅｓｔｉｎｓｌｒｕｍｅｎｔｓｍａｄｆｕｎｄｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｔｒｍａｎｔｏｆｃｏｍｐｍｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｂｅｃｘ）ＩＴｌｅｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｓＯｎｆｌａｍｍａｂｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎ，ａｎｄｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙ．
Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｉｍｅ－ａｖｅｒａｇｅｄｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓｒｅａｃｔｉｏｎｆｌｏｗ，ｋ一占ｔｕｒｂｕｌｅｍｍｏｄｅｌａｎｄＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ娃ｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｆｌｏｗｈａｓｂｅｅｎｆｏｒｍｅｄ．１１１ｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｅｍｉｘｅｄ
ｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｔｈｅｕｓｅｏｆｇａｓｏｆｐｍｐａｎｅｌａｉｒｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｒｏｏｍｓｂｕｉｌｔ－Ｉｎｏｂｓｌａｅｌｅｓｈａｓｂｅｅｎ
ＳⅡｖｍＬＥＣｓｃｈｅｍｅ．
ＩｎｏｒｄｅｒｔＯｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆｌａｍｍａｂｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄ。Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｉＳｗｉｔｈｉｎｌＯ％．Ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｉｔｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｆｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｆｉｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：
（１）啦ｏｂｓｔａｃｌｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｎｆｌａｍｅｆｉｏｎｔｉｓｖｅｒｙｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅａｔｔｈｅｅａｒｌｙ－ｉｇｎｉｔｅｄ
ｓｔａｇｅｏｆｆｌａｍｍａｂｌｅｇａｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｆｌａｍｅｐｒｏｐａｇａｔｅｓｎｅａｒｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ｔｈｅｐｒｏｍｉｎｅｎｔｃｈａｎｇｅｏｆｆｌａｍｅｆｒｏｎｔｈａｐｐｅｎｓ．Ｗｉ也ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｈｅｉｇｈｔｏｆｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ｔｈｅｄｉｓｔｏｒｔｅｄｄｅｇｒｅｅｏｆｆｌａｍｅｆｒｏｎｔ
ｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｌａｒｇｅ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｌａｍｅｖｅｌｏｃｉｔｙｒａｐｉｄｌｙ．ＡｎｄｄｕｅｔＯｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ｔｈｅｆｌａｍｅｆｒｏｎｔｔｈａｔｐｕｌｌｅｄｆａｒｔｈｅｒｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｒａｉｓｅｏｆｆｌａｍｅｖｅｌｏｃｉｔｙｔｏｏ．ｎｌｅｐｏｓｉｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｕｔｕａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｏｂｓｔａｃｌｅ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗａｎｄｆｌａｍｅｉＳｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．
（２）ｍｏｂｓｔａｃｌｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｅｆｆｅｃｔｓａｒｅｖｅｒｙｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅｉｎｃｌｏｓｅｄｖｅｓｓｅｌｓｌ砸ｍｅｆｉｎａｌ
ｆｌａｍｅｆｒｏｍ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ蠡ｅｌ蠢ｐｍｓｍｍｆｉｅｌｄｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ。ｈｏｗｅｖｅｒａ羚ｖｅｒｙｐｒｏｍｉｎｅｎｔｆｏｒ
ａｎｄＳＯｏｎ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｐｒｏｏｆｔｏｌａｙｆｉｘｔｕｒｅｒｅａｓｏｎａｂｌｙｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｉＹｌｏｌｎｓ．ｆ３’嚣臻ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｓｒｅａｃｈｔｈｅｍａｘｉｍａｌｃｌｏｓｅｔｈｅｏｕｔｌｅｔｉｎｖｅｎｔｅｄｖｅｓｓｅｌｓｗｉｔｈｏｕｔｏｂｓｔａｃｌｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎＧｒｅａｓｅｏｆｂｌｏｃｋａｇｅｍｔｅｏｆｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ｔｈｅｍａｘｉｍａｌｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｂｅｃｏｍｅｓｌａｒｇｅｒｉｎｖｅｎｔｅｄｖｅｓｓｅｌｓｂｕｉｌｔ－ｉｎｏｂｓｔａｃｌｅｓ。
Ｗｏｒｄｓ：Ｆｌａｍｍａｂｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；Ｆｌａｍｅｖｄｏｃｉｔｙ；Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ；ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＫｅｙ
ｃｏｍｂｎｓ伽ｎ：Ｎｕｍｅｄｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
一珏．
独创性说明
作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获彳导大连理王大学或者其他单位的学位戚证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说咀并袭示了谢意。
作者签名：缝鑫交ｌ＿日期：三翌￡左：箩
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引言
工渡爆炸不仅涉炭的蓬围广，瑟麓产生熬笼凌壤大。据统诗，全氆赛每霉熬工业爆炸灾害搿故高达数酉怒，且时常发生在工监界的众多行业，翔冶金、石油、煤炭、轻工、兵工、粮食、化工以及制药等簿。近些年我国的经济进入高速增长期，随着生产规模的扩大，以及一然耨产业和新技术的出现，使爆炸灾害的潜在可能性增加，事敖熬盏害髹发逶一步增大。将捌是邋辩期，我国瓣麓花和爨矿爆炸事俘屡蠢缀道，特别是煤矿瓦斯爆炸事故频发，例如去年十一月份山西平窑煤矿瓦斯爆炸，死伤避百人，直接经济损失近千万。今年三月阜掰矿难，死亡２１４人，震惊全国。如何治理工业介震爨炸，邑液梵｛圭会各癸关注蕊蓥蘩阏遂之一。
工业Ｗ燃气体爆炸灾害豹研究不仅具有重簧的工业背景，而且还有理论价值。由于爆炸过程是一个复杂的物理化学现熬。研究它黼隳涉及诸如化学动力学、燃烧学、爆炸力学、气体动力学、计算流体力学等学科，两奠就其爆炸灾寒靛本质，述需要考瘪萁相当敏感静众多彩稠因素，蔽及备静输运瑰象豹稳夏捧用与藕合，另外逐涉及强爆燃向爆焱的转变等，其研究势必脊助于相关学科的开拓和发臌。
在工妣生产环境中存在着约束物，例如：通风设备、机械设备、各种管邋以及矿并隧遂肉支綮等。实黢诞夔，约素物瓣鸯ｌ速懋烧耪诱导爆炸其鸯饕鬻重要赘影稳。嚣燃气体被点燃后，燃烧产物膨胀会雁缩周围的气体而产生流动，障碍物易于把这种流动诱发为湍流，进而大大提高燃烧速率。所以本文旗于均相反威流守恒方程、湍流流动是一占模溅、ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ燃烧模澄，建立均粳演流燃烧滚动数理论模黧。采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，对内鬻障碍物受戳空闻丙烷，空气预混气体的爆炸过程逶稃数值模拟，揭示受限空间内可燃气体燃烧道程中流场各参数的变化规律，获得火焰加速的正反馈关系。
臻囊络聚海套裁予久雷】歪臻戴辩火焰走势，会臻存餮空阕肉浚施，蒡菠入嚣】避一多认识影响爆炸危害性的困索，为减灾防爆提供依据。
－１．
内簧障碍物受限誊间内可燃气体爆炸数值模拟
１文献综述
爆炸对工业装餐和房照建筑簿产生的结构性破坏主要是幽于可燃气体燃烧产生的压力波所致，闪而对Ｗ燃气体火焰加速传播、超压形成以及爆燃转爆轰过裰的研究具有熏要意义。本文扶实验、理论翻数毽模数簿几方露对遥年来魏霹燃气体爆渡磅究邀展壤爨进行评述。
１．１可燃≮体爆炸形式及特点
１．１．１可燃气体爆炸的基本形式
爆妻睾是缝量抉速释放熬过程，鬻分艘秘理爆炸和化学爆炸，兹喾是攒爆炸过程中只发生物理状态变化的爆炸，如锅炉爆炸、雷电、地震、高速碰撞等。后者是指爆炸过稷孛露释物疆变纯，又有往学交德瓣爆烽，舞炸药爆烽、瓦薪璨藩、粉尘舔淬等。本文瓣涉及的是可燃气体爆炸，它本质上是可燃气体与空气威氧的快速氧化反成，属予化学爆炸。其爆炸的主要特征是快速的燃烧，商温燃烧产物膨胀并压缩周围的空气，燃料混合物的燃烧热部分转变为机械戆，从藤产生爆炸波和冲击波，导致被作用物体产生较大的变形、位移乃至破坏。
掰燃气体燃烧爆炸熬模式大致胃墩骞靼静“３：定聪燃烧、爆燃、瀑轰秘定容爆炸。
定压燃烧是无约束的敞开型燃烧，属于稳定的过程，其燃烧产物能够及时向后排放，其压力始终与大气环境压力籀平衡．阂蘧系统的压力楚恒定的。定蘧燃浇斡一令特征参数为定压燃烧速度，或基本燃烧速度。它取决于燃烧的输运速率和发应速率。一搬来说定压燃烧危害较少，其研究的时间比较长，在某一些情况下已获得解析解。
爆燃是～季孛带有匿力波豹燃烧。与定压燃烧不慰点正是在于鸯涯力波产生。当燃烧阵面后边界有约束或障碍，燃烧产物就可以建立起一定的压力，波阵面两侧就建立起～个压力差，这个暴力渡蔽警遣声速淘蘩传撵，这藏燕蘧力波。由予这个鬟力波簧撵速发比燃烧阵厨（火焰阵面）爰快，行进在燃烧阵面前，因此也叫前驱冲击波（或前趋压力波）。由诧可觅，瀑燃是由前驱压力波和后隧酌燃烧阵面构成。囤１．１表示出了爆燃酶两波兰区结构。
爆燃愚～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，壹至莲力波游失，爆燃裁沦兔定短爨烧。提反，热果爆燃豹嚣边器约衷增强，火熄鸯瑟速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，火焰阵面和压力阵西合二为一，成为一个带化学反应区静；串击波，这藏愚爆轰波。
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２区ＩＤｆｌ聪ＩＤＩｏ区
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攥燃被拜蕾嚣裙；串蛊液阵覆
豳１．１爆燃波的两波三区豳
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注脚０、ｌ、２分别表示０区、ｌ区和２区＃
０嚣一可燃混合气体的襁始状态；ｌ嚣一裁诤海波避过螽静狄态；
２区一爆燃波阵面（火焰面）通过后的状态
定容爆炸是燃料混合物在给定体积的冈４憔容器中均匀地同时点火时所发生的燃烧过稷，这魑一个理想的模型，实际情况是不大可能均匀同时点火的，常融的是髑部点火，扩展到整体。由予爆炸过程遴行褥缀快，寮趣容器中局部点火鼹形成的参数姆定容爆炸参数相麓无几，一般就用定容爆炸模型来处理。在定容爆炸过程中，容器体积保持不变，气体密爱也不交，瑟臻力疆燃烧释敖戆往学裁豹磺麓瑟增翱。
爆轰是气体燃烧爆炸的最高形式，其特征是以超音遮传播（相对予波前朱反应混合耪）豹带亿学反应静渖击波。跨过波阵面，压力和密度怒突跃增加的。菜些情况下可获得爆轰解柝解，相似理论在这方面也已经褥至ｑ很好的应用。
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圈１．２Ｒａｙｌｅｉｇｈ线和Ｈｕｇｏｎｉｏｔ线
Ｆｉ９１．２ＲａｙｌｅｉｇｈＣｕｒｖｅａｎｄＨｕｇｏｎｉｏｔＣｕｒｖｅ
内置障磷物受限空间内可燃气体爆炸数馕模拟
图ｌ。２是燃烧学约薅豢零《嶷（Ｈｕ嚣＿ｎｉｏｔ）趣线∞，下支是以甄啻速传搔鹣燃烧波为爆燃（ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ）波，上支是超声速传播的为爆轰（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ）波。慢速爆燃模式很磐易实现，只需用一个很弱的点火源点火即可。丽对大多数燃料艘！气化食物，直接激发爆轰需要大约１０３一１０４Ｊ的起爆能量。这两种模式，在适当的条件下可以发生突变，即从爆燃模式转变为爆轰横式。诧过程一般称为“ＤＤＴ”（ＤｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎｔｏＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）。在实际情翼下，脊诲多因索胃锭灾焰瑟滚燃烧速发鸯日速至ｌ爆轰状态。
１．１．２彩晌Ｗ燃气体爆炸豹因素
影晌可燃气体爆炸越压和火焰速度的主溪因素有；
（１）胃燃气俸麴穗覆
气薅爆炸爨溪静冒戆瞧戳及瀑炸嚣产生的稀鬃鑫缀大程壤土取决予气体活毪。气体涟?装越强，分子扩数越挟，爨｜ｊ它爆炸时产生静爆：蹲超蹑翻火焰速廑越大。产生爆轰靛霉能也越大。瞬前，根据可燃气体的反应活性对爆炸威力的影响，将可燃气体的反应遗性分为低、中、商三粪，见淡１。ｌ。
表１．１Ｗ燃气体反应活性的参照分炭
Ｔａｂｌｅｌ。ｌＴｈｅｓｏｒｔｏｆａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｆｏｒｆｌａｍｍａｂｌｖｇａｓｅｓ
及斑活性可燃气体
低氨，甲烷，氯乙烯
中乙烷，丙烷。舀烯，ｎ．丁烷，商烷烃
高鏊，ｚ｜焱，苯
（２）混合气骼中霹燃气体的浓发
预混合气体只能在燃料浓魔适合时（在上、下可燃极限之间）才能发生爆炸，燃料浓淡越接近上、下可燃极限，燃烧速度越低，超压越小。在密闭容器中，当燃料以上、下极限的眈铡与空气混合并虽燃烧时，其爆炸超疆是初始压力的乱５倍；当燃料与空气戬化学配魄混合燃烧时，爆炸麓压一般为初始压力的７－９倍描。
（３）点火箍量
足够夔杰火戆量楚霹燃气体爆炸懿三今要素之一，一般将杰火麓羹分为强煮火鞫弱点火。强点火，翔霉簿、炸药等，这穗憾熬下霹燃气体爆炸剡会壹接发生璨轰嘶。工犍中，可燃气体爆炸由弱点火如静电、火花等弓ｆ发。在工业安全技术中，气体爆炸的最小点火能爨Ｅｍｉｎ是模数气体点火敏感度的一个参爨。
－４＊
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（４）可燃气体爆炸的环境
如栗可燃气体爆炸发生在有障碍物或外部有约束的区域形成的，则爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度较大，它潜在的危害也较大嘲。函此，在预测可燃气体爆炸危害的时候，一定簧考虑可燃气体爱约束的程度。
１．１．３可燃气体爆炸的基本参数
袭征气体爆炸特征的参数主要有火焰速度、燃烧速度、绝对火焰溆度、定容爆炸压力、压力上升速率、点火能量及点火温度等。
（１）火焰速度和燃烧速度
火焰相对于前方融扰动气体的运动速度叫燃烧速度，铝与反应物质有关，是反应物质的特征最。常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度。火焰速度则是相对于静止坐标系的速度，它不是燃料的特征摄，ｉ面取决于火焰阵面前气流的扰动情况。混合气体的燃烧速度和火焰速度是与爆炸猛烈程度直接相关的参量，燃烧速度大的气体具有大的危害饿和破坏性。其中燃烧速度较滩测蹙，而火焰速度则较易测羹。在极端情况下，由予火焰加速而使燃烧转变为爆轰，达到最大破坏效应。
（２）绝对火焰温度
绝熟火焰温魔计算虽然烦颧，但不困难，利用现有化学熟力学和化学平衡的知识和数据，可以待至Ⅱ稻对满意的计算缩采。绝大多数气体濑合物系统的引燃温度范阻大体上怒在９００－１０００Ｋ，而可燃气俸的浓度对火焰温度影响很大。
（３）定容缣炸征力
理论ｔ定容簿ｊ：＃楚指在嚣ｇ壁容器内瞬阿整体点火，且体系绝熟，即不考虑容器毽的冷帮靛应与气体漓漏稀带走静熬损失情况下的爆炸，因诧迩容漂炸压力应当是爆炸最高题力。由于一般熬混合气体爆炸嚣后豹零尔数变纯沈较，ｊ、，所漩实际上定容爆炸压力值主要淑决予火焰瀑度。
（４）爆炸盛力上ＹＩ－逮－＊
爆炸压力上舞速率定义必嚣力一孵蠲鼗线上舞段携点鲶静韬线斜率，帮压力差除以时阕蓑豹囊。愿力上辨速率是撬蠹燃烧速率浆标准，盘就是鬻爨爆炸强度韵标猿。
（５）点火ｇｇ量及点火湿度
气体爆炸熬三要素之一裁是暴鸯怒够能量瓣点火源，警混会气体钛点火深获褥怒＿遘浆一阀值驰ｇ％量时，就被点燃整火。绝大多数气体混合物系绞瓣弓ｌ燃溢度藏匿大俸土是在９００～１２００Ｋ。选说明，低手此激度，火焰裁苓黢层缫点火，躲举能鼓动转播。
内鬣障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值模拟
｛．｛．４尖冁秀ｌ速％疆遴
１。１。４。１层滚火焰传援极撰
静止的可燃气体温会物被一个弱点火源点火压，形成～薄层层浚必焰。然后§§量不断输送给邻ｉ醺的冷混合气层。层流火焰的厚度一般为滚米级，由两个区域组成：反应区窝颈热区。热量主簧楚蠹爱应区豹豫学茨瘦产嶷静，然螽反瘢区静热量遴过传号帮分予扩散而传送到预热区。在预热区，混合物被预热，这是预热区发生化学反应的先导条件。所以，热传导和扩散的分予传递现象组成了层流火焰前驱的蒸本传播梳理“。图１．３显示了穿越一层滚火焰的温度的变化愤况。
在化学反应区。燃烧产物温度很高，于是来燃烧的混合物受到愿缩，产生一个前驱冲毒液。睫誊必戆缎续交裁延｛孛，糖霹予反应豹漫会物来说（～壹处于运凑坟惑＞，火焰以层流燃烧速度传播，这样，就形成了爆燃欺型的“二波三区”结构。
温
度
Ｔｅ
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图１．３穷越一游屡火焰的温度分布图
ａａ懒ａｌａｍｉｎａｒｆｌａｍｅ
Ｆｉ９１．３Ｔｅ口ｎｐｅｒａｔｔｔｒｅ
１．ｔ．４．２湍流火焰斓速杌趣
火焰传瓣过程中，由予火焰瀚不稳定会褶皱火焰孵表菌，增大火焰面积，因就增大了火焰的有效燃烧速度，从而导致火焰传擐速度加快。在活性桓对较低的羰氢混会物燃烧过稷中，火焰的不稳定对火焰传播的作用会受到冲击波的限制。火焰传播过程进一步麴热遴只毒褒舍逶麴强《毪逑秀条传下方会发生，因为嚣《蛙熬边：器会诱导膨胀流赘蠹部产生速度梯度和湍流的动机。当燃烧过程接触到膨胀流的内部的时候，局部燃烧速率会在
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咒令方嚣漤鸯霾。在速度撵疫璧火终会渡廷｛串，扶嚣灌热火焰嚣稼程有效静燃麓速疫。溘流不仅会增加热传递过程，而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃烧的混合物和燃烧产物之闯豹舞萄的瑶积。两《发生瀣瀛时，滴流强度较低，旋涡只会褶皱火焰表面和辫加火焰的有效燃烧速率，肖燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀沆，强豹膨胀流又会导致流速增加，而商的流速又将加大湍流的强度，在高强度的湍流的影响下，火焰会逐激豹丢失它螅缀来斡必溪熬表嚣，逡罄也发生交纯。予整漶溅瓣旋涡又顿囱予分裂火焰前驱，从而导数一个慝高的燃烧速率，高的燃烧速率又会产生更强的膨胀流和湍流。这榉，魏会形裁火焰热迷翡委爱谈，装反馈橇理黧强１。４掰示８。
囤１．４可燃气体爆炸过程的正反馈
Ｆｉｇ１．４Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｃａｕｓｉｎｇｆｌａｍｅａｃｃｌｅｒａｔｉｏｎ
｛。２实验研究
１９世纪２０年代，毒入羧开始了容嚣鞍管遂内可燃气体爆炸戆安验磺突。冀孛Ｃｈａｐｍａｎ开创了有障碍物管道中的火焰传播研究工作。研究结果表明，当火焰穿过管道孛瘸麓蓑｝戮豹躅耀片辩，峦予遮耱节流障礴螺ｘ重速度嚣撬动，火熔不鹫鸯Ｅ速，绎烷，警气预混的火煅速率可超过４００ｍ／ｓ，而在光管中其相应的速率只有６ｍ／ｓ。两后，Ｅｖａｎｓ等嘲在舞验中殿现，薹火焰穿过金耨丝阏孵，也获生火焰船逮糯象。２０世纪７０年代末至９０年代初，研究管道中的火焰加速现象出现一个高潮，入靠］在不同形状的管道中硪究障碍物对火焰加速的影响。其中Ｍｏｏｎ等嘲指出，即使是较小的障碍物也会由于障碍物的扰动瑟弓ｌ起火焰热速，导致镶蠹垂力急器ｌ上舞，繁悫超藤是无蹲碍貔辩夔８．８绩。茂爱管道内的火焰加速现歙引起广泛的关注。
内置障礴物受限空间内可燃气体爆炸数德模拟
起的超压最低。由此可见，障碍物的几何形状、阻塞率对可燃气体的爆炸过程有很大的影响。
＿Ｉ您井，在管逆内可燃气体爆炸的研究中，还存有～糟凌似障碍物翔速火焰速度懿现蒙，ｇ＃壁面使火焰加速；这种璇象是火焰眸澍在传播垃稳中发生倒壁，之后这种形状保持稳定传播，形状有如郁会香的花瓣，因而形象地称之为郁金香火焰。文献中第一次有关这种火焰倒置现象的记载是１８８３年Ｍａｕ嘲在可燃气体的爆炸实验中观察到的，而后于１９２８年Ｅｌｌｉｓ发表了第一张戈焰铡鬟的照片。ｊ毪螽人证试翻用各种机弗ｇ米解释饲置必蕊的成因。一种说法怒这种倒置是弧形火焰与管壁相互挤压而形成的，还有的说是由于管内未燃气体的漩涡形成的等等。其中Ｓｔｒｅｈｌｏｗ认为这种火焰倒置现象是泰勒不稳定性产生的，健缺乏寿力的证据来话实能们的观点。
幽１＋５火焰倒慧的形成过程
Ｆｉ９１．５Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ＆ｔｈｅ胁ｅｉｎｖ∞ｉｏｎ
图ｌ６为Ｃｌａｎｅｔ等ｏ”用高速摄像机拍摄到的火焰的形成的照片。如图所示，由左至右的照片依次为倒置火焰形成之前、之中和之后的火焰阵两，这三幅重叠的图片的时间间隔都为２．２ｍｓ。研究者迁明３＂Ｓｔｒｅｌａｌｏｗ翁褒点：灭烙倒置现簸是泰韵不稳定性熊表现。这种不稳定性由于熬面粘性的扰动而使火焰阵面末端加速而形成的。而在火焰倒置的形成过糨中，流体的粘度和声波的影响并不是圭墼的。在实验和分析的基础之上，研究者用一个簿单的几何模型解释了不同阶段的火焰传攘和火焰形状躲显著特蔹；蕊且，只要呋
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焰的厚度稠对于管道尺寸很小，火焰倒鬣的特征对闽只与层流燃烧速率、管道半径和无量纲的气体爆炸系数有关。研究者所建立的几何模型使人们更深入的认识了管道内可燃气体爆炸过稷中火焰的发展阶段。
藐癸，逐有诲多磅究纛９８建复杂、褥定工况下瓣连逶管道肉帮燃气蓓豹潆妻＃进行了研究，得出很多有用的结论，值得参考。
可以说，实验方法是研究可燃气体爆炸问题的最簇本的方法，觅疑也是研究～种新的基本瑗象鳇唯一方法。毽英苓足之处在于：受试验设冬、资金、场遮、溅试手段羁方法等诸多因素限制，并且在大多数情况下，对于大容器的全比例试验得到韵规律往往不能外推到缩小比例的模型上。此外，这种缩小尺寸的模型也不总能模拟全＃Ｅ例设备的备方面特征，而且许多情况下存＿在测量上的严重阑难，何况测凝仪器本身也商误差。这些问题在实验研究中薅待解决。
１．２．２爆燃转爆轰过程的研究
对予骛邋肉可蘩ｌ气钵瀑砉＃过程采说，瘭熬过程对象产生活惫斋褪对较枣，掰矮轰过程的破坏性极大，因而对爆燃转爆轰过稷的研究具有寓际意义。
Ｎｅｔｔｌｅｔｏｎ“７１在管道内可燃气体爆炸的实验中得出的基本结论：在爆燃转爆裁的过程申，压力秘火焰阵瑟豹速搴都达蔓ｌ最大壤。
图１．６管道内丙烧空气爆轰过程照片
Ｆｉｇ１．６Ｔｈｅｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅｐｍｃｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐａｎｅ／ａｉｒｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｔｕｂｅ
丽Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈ“８在其突验中定量分耩了爆燃转瀑轰进程。为了稻辍到爆燃转攥轰静图片，实验在透明的有机玻璃管道中进行，管道（内衽６９ｍｍ，壁厚１０ｒａｍ，长２５ｍ）内的可燃气体为按化学计量组成的丙烷，空气预混气体，密闭端点火，火焰从左边向右边开口溃传撵。管滋肉霹爨气体瓣撰轰过程鳐灏１．６掰示。强中是毽兹乎孬安线隽营壁，麸第一
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质量守恒以及放热过程随反应度的变化关系得出未反应物质量分数与压力的一般表达式。
比较上述三个模型可知，等温爆炸模型最简单，对大多数实际应用，此模型所得的计算结果足以表明爆炸过程中的压力发展趋势。等温爆炸模型计算偏差主要出现在接近容器壁面的地方，因为在火焰接近容器壁时，估计通过容器壁的热损失是一个不可忽略的因素。实验数据表面，最大压力上升速率出现在火焰到达容器半径的大约９５％处。由于容器壁的热损失和燃料的燃烧不完全等因素，实验最大压力总是低于理论计算值。１．３．２开口容器的理论研究
开口容器指的是带有开放的出口，爆炸气流可直接泄放到大气中，而不受任何阻挡的容器。对于开口容器的理论研究主要应用于无约束泄压口的设计，即考虑给定容器的承压范围，计算泄压面积。
一般气体动力学的手册和教科书中都论述了气体通过小孔的流动方程，方程的前提都是基于一维定常等熵流动、忽略粘性和摩擦热传导的假设。
Ｎａｇｙ“”等于１９８３年在开口容器中建立了爆炸压力发展的解析分析方法。在推导过程中，每一个模型都作了一些假设，其目的是为了简化分析，便于工程应用。但所得结果精度很低。而李克山等嘲发展的有关精确分析的理论仅使用于压力震荡不大且火焰加速很小的情况。
另外美国防火协会对建筑物防爆泄压面积提出一个建议公式（Ｒｕｎｃｅｓ公式。”），并把这一公式应用于容器和管道中。经过计算表明，对于管道中具有某种障碍物物件，会增大爆炸过程的增大压力。一个障碍物，即使只阻塞管道横截面面积的５％，它也会使压力增大２～３倍。对于诸如“Ｔ”字形管件或阻塞管道截面积３０％的障碍物，最大压力值会增大１０倍左右。
综上所述，这些模型只是从经典热力学角度出发，对爆炸过程进行了分析，对一些实际应用，这些模型的计算结果可以满足爆炸过程中的压力发展趋势。但是这些模型的不足之处在于：
（１）均没有考虑质点的运动速度，认为速度小，可以忽略不计，虽然气体质点的动能相对于气体内能和反应热来说是一个小量，但质点速度与火焰传播速度在同一个数量级，因此对升压过程有较大的影响；
（２）假设整个容器内的压力是均匀的，这并不适应大容器内可燃气体爆炸，因为大容器本身也会引起火焰加速，其压力很难在短时间之内均匀分布；
内篷障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值摸拟
（３）浚毒考虑德学爱蔽动力学淘蔻，由予爆炸藩予斧隧霄纯学菠瘟静不定常流动遭程，火焰的传播机理以及火焰加速等都与可燃气体的燃烧反应有关，因此不能全颓了解爆妻＃ｊ篷程酌本质瓯技火滔撕速梳理。
｛，４数夔戮究
随着计冀机技术的发展，以ＣＦＤ为基础的数值模拟方法迅速发展，并且显示了其极大的优势：成本低、速度快、资料完备、具有模拟真实条件豹能力、具有模拟理想条件的能力等等。必此：ｌ霆些年采，数媳摸｛堇ｌ方法得季《广泛疲弱，井取褥一定静成票。１．４．１数值横拟研究进展
翠期Ｋｌｅｉｎ等采用数值方法对管道内可燃气体爆炸过程中的层流火焰传播遴行了研究，獭时她们已经不用近儆步骤，｛｝孬壹接用迭代法寻求壤臻烬。毽只是镑对｝Ｅ较楚单或笼统的反应幼力学问题进行研究。随着爨；验研究的深入和理论模型的成熟以及计算机的密糯器发震，数篷摸羧成蠢解决容器内瑶煞气体瀑烽｜’薅鬟麓蘩要手段之一。
目前范窳春等先后发裘数篇关于管道内可燃气体爆炸方面的研究的文章，其研究都是基于湍流酌＿ｊ｝一占湍流模型和改进豹ＥＢＵ－Ａｒｒｉｈｅｎｉｕｓ燃烧模激，和鞠Ｓｍ口ＬＥ格式时可燃混合气体进行数值求解。陈志华等畸１针对大型融式管中火焰加速诱导激波现象，建立了二维均相反威模型，并以戊烷，空气燃烧为例，进行了数值求解，计算结果驻示，在管内点火眩，因燃烧产物膨胀攘裁火焰秀侧矮点浚凌，霉数火焰簿霆辫近滚滚动能熬强，钛而提商了管内燃烧速率，而燃烧速率的提高推幼燃烧产物膨胀加速。杨宏伟等哺３模拟了漳碍物秘摩擦管整在三维空瀛串露致火焰加速豹现象并分析了导致火焰鸯Ｈ速静飘理。研究结粜表明，障碍物和管皴对火焰都有明显的加速作用，且障碍物的加速作用更明显。障碍物的存强对火焰的形状影响搬大，无障碍物时火焰阵面成“３”字形状，有障碍物时火焰孵蔼因隧碍物的存在褥变形。姚海羧等嘲黠骞障褥甥珏重鹣港漉嘉Ｂ速火焰现象建立了二维均相反应模型。障碍物对流场的影响不仅考虑到采用窑度函数，还考虑了障碍物对滚饕产生静瓣黧疆力匏终髑。壁瓣透秀瑟送竣羯采震建嚣函数法楚耀。箕诗葬续聚蒺羧了障碍物诱导的湍流与燃烧耦合作用下流场的发生和发展的全过程，揭示了障碍物、湍流、火焰之闼稻互自Ｈ速的正反馈梳理。范宝春簿“对阑障碍物的作用而发生的爆炸现蒙进行了三维空间的数值模拟，计冀结果描述了火焰加速秘激波生成的过程。
以上研究都是蒸于标准≈一占湍流模挺，通过对可眍缩聪力的修正，提出可压缩湍流反应模型，模数了大足度繁遵中壤混火焰懿去§速过程，取撂了一些建设整熬结暴，堡该模型朱考虑湍流马赫数的影响。因为在肖障碍物的管道中，火焰速率很容易达到声速或
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超声速，故必须考虑湍流马赫数的影响。现有的磷戴结果…表明，随着湍流马赫数的增大，流体的可压缩性会引起湍流结构及湍流动力性能的变化，如果忽略湍流马赫数效应，海难以准确德诗滚滚的影响，从丙不§％准确模拟离逮及超裹速滚滚浚动。
余立新等溯基于戳上考虑，用溘流马赫数修燕的非稳态可嚣缭性七一占一ｆ—ｇ西方程湍流模型，模拟半开口狭长管道中麓复布置障碍物引起的湍流火焰加速现象。研究结果表明：（１）由予障碍物魄存在，火焰穿过障碍物时发生变形，火焰阵面严熏掇睫，反应区越来越妖，ｌ盗透窭强疑（第麓令簿褥耱鬻逶），菠瘟嚣长达ｌｍ：｛嚣在第一个薄薅臻附近，反威区只有５ｅｒａ左右；前者为磁者的２０倍，究分说明障碍物产生的扰动对加强燃烧和湍流输运的影响很大；（２）随着火焰向前传播，气体急剧膨胀，火焰速率逐渐上升。
Ｈｕｌｄ等批１模熬了密溺蛰遘蠹氯气，空气火焰降嚣瓣火焰侧置斡形成过程，诗舞过程中把自适应随洛机制应焉予火焰阵瑶，撅；缀度传为德熬随洛粗细豹依据。这样可大大提高计算效率，这种自适应网格机制也为模拟工业级、大尺度的管道内可燃气体爆：啦过程提供参考。
羚瞬等涮簌大量懿模拟结果孛褥爨结论：当薄个溪袈技火焰农藩褥耪螽嚣翡通道中合二为一时出现超压的最大值。模拟中详细地描述了可燃气体被点燃后，火焰以层流机制开始向前传播，遇到障碍物后，火烙在障碍物与管侧壁问以喷射状传播。随麓火焰与降疆壤鑫西瓣霾滚区域稳至终雳，火焰由垂滚交为滚滚，在照过程中越歪氇氆热。当两个喷射状火焰在障碍物爝面的通道中含二为一时，翘压达到最大缓。并且模拟的结果与Ｍａｓｆｉ等劁实验拍摄到的图片相符合。
以上磺究者采用ＣＦＤ代码对管遴内可燃气体爆炸进行了研究，内容大帮集中在障碍物静尺寸、形状浚及鹫黼对火焰簧搔鹣彩响窝丈焰翻速梳理方西鹣研究，豫范定舂等提及激波的形成以外，均朱对爆燃转爆轰过程进行模拟。可见，在街道内可燃气体爆炸过程中，爆燃转爆轰过程的数值模拟尚需避一步的研究。
｛．４．２数镶解法
本文所指的数值模拟就是建立～个可用来描述管道内可燃气体爆炸过程的方程组，然后利用各种数值算法谶行求解的过襁。方程组包括质量方程、渤量方程、能擞方程、缝分方程、滚滚方程、燃浇揍鍪！方摇戳及瑾怒气薅毒爰态方程。
求解以上方程组的数值解法有有黻差分法、有限容积法和有限分析法等。藏中有限差分法是求得偏微分方稷数值解的最古老的方法，猩气体爆炸数慎模拟中得到广泛采用。总的来说，在规则区域的缑梅网格上，寄隈差分法十分褥单焉有效，衰且缀容翳弓｝入对
内置障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值模拟
流项的高阶格式｛其不足是离散方程的守恒性难以保证，而最严重的缺点则是对不规则
区域的适应性差。尽管如此，目前还有许多研究者在应用这种方法解决一些管道内可燃气体爆炸问题“１。
而有限容积法是６０年代由Ｓｐａｌｄｉｎｇ和Ｐａｔａｎｋｅｒ共同形成的研究数值传热和流体流动的计算方法。有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，对区域形状的适应性也比有限差分法要好，且由于其概念简明、实施过程简单、数值特性优良而获得了广泛的应用。根据不同的统计资料，世界上每年发表的计算传热学的论文中５０％－一７０％采用有限容积法，本文提到的数值模拟工作大多基于该方法完成。
其它的数值解法（如有限分析法和有限元法等）由于自身的特点，不适合对管道内可燃气体爆炸问题进行求解。另外，对于管道内可燃气体爆炸过程，也可用一些商业软件（如著名的Ｆｌｕｅｎｔ，Ｓｔａｒ－ＣＤ，Ｐｈｏｅｎｉｘ等）来求解。
１．４．２．１ＳＩＭＰＬＥ系列算法的发展
ＳＩＭＰＬＥ系列算法是有限容积方法的核心部分，最早是由Ｐａｔａｎｋｅｒ与Ｓｐａｌｄｉｎｇ。”在１９７２年提出用于解决不可压缩流场的数值方法ＳＩＭＰＬＥ全称为Ｓｅｍｉ—ＩｍｐｌｉｃｉｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｒｅｓｓｕｒｅＬｉｎｋｅｄＥｑｕａｔｉｏｎｓ，意思是求解压力耦合方程的半隐方法。自其问世以来，ＳＩＭＰＬＥ
算法在世界各地计算流体力学及计算传热学界得到广泛地应用，并已经成功地推广可压缩流场地计算中。目前ＳＩＭＰＬＥ算法已成为可以计算具有任何流速地流动地数值方法。
在ＳＩＭＰＬＥ算法中，为了确定动力离散方程的系数，一开始就假定了一个速度分布，同时又独立地假定了一个压力分布，两者之间未必协调，影响迭代速度。其实，假定了速度分布后，与这一速度分布相协调的压力场即可由动量方程计算而得，不必再单独假定一个压力场。另外，由ＳＩＭＰＬＥ算法得出得∥值对修正速度可以认为是相当好的，对修正压力则是过分了。虽然对Ｐ’采用了亚松弛处理，也未必能恰当好处。这样就使速度场的改进与压力场的改进不能较好地同步进行，最终影响整个流场地迭代收敛速度。把
上述两个思想结合起来，就构成了Ｐａｔａｎｋｅｒ提出的ＳＩＭＰＬＥＲ算法…（ＳＩＭＰＬＥＲＲｅｖｉｓｅｄ）。与ＳＩＭＰＬＥ算法相比，ＳＩＭＰＬＥＲ方法的迭代层次可以减少，但每一层次计算中所花的时间较ＳＩＭＰＬＥ的要多。但就总的时间而言，ＳＩＭＰＬＥＲ算法常较ｓＩＭＰＬＥ少。
在ＳＩＭＰＬＥ算法中，为了求解的方便，略去了速度修正值方程中的Ｅａ。“’。及Ｆａ。ｖ’。。项，从而把速度的修正完全归结为由压差项的直接作用引起所致。当在略去∑口。。”’。等项不计时，实际上犯了一个“不协调一致”的错误。因为略去∑口。”’。相当