可燃气体爆燃转爆轰过程的机理探索

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[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。

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 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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。

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。