（安全技术及工程专业论文）硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns u p p r e s s i n gg a se x p l o s i o n i nt u b ew i t h a l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r d a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n si n t op r e m i x e df l a m ep r o p a g a t i o ni np i p e so rc h a n n e l s a r eg r e a ti m p o r t a n tf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no ff l a m ea r r e s t e r s ，a n dd e f l a g r a t i o ns u p p r e s s i o n o ff l a m m a b l eg a sc l o u d si nv e s s e l so ru n c o n f i n e ds p a c e a i m i n gt op r o v i d et h e o r e t i c a l r e f e r e n c e sf o rd e f l a g r a t i o ns u p p r e s s i o na n dt h ed e s i g no ff l a m ea r r e s t e r s ，e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n sa r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h ef l a m ea n dp r e s s u r ew a v ep r o p a g a t i o ni nt u b e l i n i n gw i t hp o r o u sm a t e r i a l so fa l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r do nt h et u b ew a l li nt h i sp a p e r t h e m a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： ( 1 ) i ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，e x p e r i m e n t a la p p a r a t u st h a tc a nm e a s u r ep r e s s u r e ，a n d f l a m es p e e di n s t a n t a n e o u s l ya r eb u i l t ，a n dh i 曲f r e q u e n c yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s s e tu p t h ec o n s t r u c t i o no fe x p l o s i o ns u p p r e s s i o ni sa l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r d ( 2 ) w i t hp r e m i x e da c e t y l e n e - a i rg a s e sa n dp r o p a n e - a i rg a s e s ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s a b o u t e x p l o s i o n w a v e s p r o p a g a t i n g a n ds u p p r e s s i o ni nt u b ea r ed e a l tw i t h e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r es e t a sf o l l o w ：s t o i c h i o m e t r i cr a t ea n da t m o s p h e r i c p r e s s u r ea r eu s e df o ri n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fa c e t y l e n e ( 7 7 5 ) ，p r o p a n e ( 3 9 5 ) a n d i n i t i a lp r e s s u r e ；t h ei n s i d ed a m e t e ra n dl e n g t ho ft u b e ，w h i c hi sc l o s e da ti g n i t i o ne n d a n do p e na tt h eo t h e r ，a r e8 1m ma n d2 2mr e s p e c t i v e l y ；t h ee x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n sa r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h es u p p r e s s i o ne f f e c to fa l u m i n i u ms i l i c a t e b o a r do nf l a m ep r o p a g a t i o ni nt u b e s ( 3 ) t h ee f f e c t so fc o n s t r u c t i o no ft h el e n g t hc h a n g e so fa l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r do nf l a m e p r o p a g a t i o ns p e e da n de x p l o s i o no v e r p r e s s u r ei n t u b ea r ea n a l y z e d e m p i r i c a l f o r m u l a sa b o u tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l a m ep r o p a g a t i o ns p e e d ，o v e r p r e s s u r ea n dt h e l e n g t ho fa l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r da r eo b t a i n e d w i t ht h ei n c r e a s eo fl e n g t h ，f l a m e p r o p a g a t i o ns p e e da n do v e r p r e s s u r ed e c r e a s e ( 4 ) i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so ft h et h i c k n e s so fa l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r do nf l a m e p r o p a g a t i o ns p e e da n do v e r p r e s s u r ea r ea l s oa n a l y z e d w h e nt h el e n g t hv a l u ei ss e t s m a l l ，t h ep h e n o m e n o nt h a tt h ev a l u eo ff l a m ep r o p a g a t i o ns p e e da n do v e r p r e s s u r e a r ef i r s tr e s t r a i n e dt or e d u c ea n dt h e ni n c r e a s ea st h i c k n e s si n c r e a s e s ，a n db e s t s u p p r e s s i v et h i c k n e s si se x i s t e d ；w i t ht h ei n c r e a s eo fl e n g t ha n dt h i c n e s s ，f l a m e i i i p r o p a g a t i o ns p e e da n do v e r p r e s s u r ed e c r e a s e ，a n dt h es u p p r e s s i o ne f f e c ti sb e t t e r e m p i r i c a lf o r m u l a sa r eo b t a i n e do nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n b j p r o p a g a t i o ns p e e da n do v e r p r e s s u r ea r ep u tt o g e t h e r , a n dt h e i m p o r t a n tc o n c e p t ， e x p l o s i v ee n e r g yh a sb e e np u tf o r w a r dw h i c hc a nb eu s e dt od e n o t e e n e r g yo f f l a m m a b l ee x p l o s i v eg a s e s t h el e n g t ha n dt h i c k n e s so fa l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r da r e a l s op u tt o g e t h e rb yv o l u m et o e v a l u et h e e x p l o s i o ns u p p r e s s i o nc a p a b i l i t yo f a l u m i n i u ms i l i c a t eb o a r d w i t ht h ei n c r e a s eo fv o l u m e ，e x p l o s i v ee n e r g yd e e r e a s e s a n dt h es u p p r e s s i o ne f f e c ti sb e t t e r 。 k e yw o r d s ：a l u m l n l u ms i l i c a t eb o a r d ；e x p l o s i o ns u p p r e s s i o n ；f l a m ep r o p a g a t i o n s p e e d ；e x p l o s i o no v e r p r e s s u r e i v 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，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或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明并表示- y 谓t 意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 丛年旦月竺日 大连理工大学硕士学位论文 引言 可燃气体燃烧爆炸是一种多发的工业灾害。几乎每年都有关于易燃易爆物质爆炸产 生巨大的财产损失和人员伤亡的报道。近几年我国的一些化工厂多次发生了严重的爆炸 事故，造成了严重的人员及财产损失。因此，如何抑制、熄灭爆炸一直是工业部门和爆 炸力学界关注的课题。基于可燃气体爆炸的巨大破坏性，研究其引发破坏的模式，提出 防灾减灾的措施意义重大。为此，许多学者致力于爆炸波传播及抑制规律的研究。考虑 工业设备之间多为管道连接，因此爆炸波在管道内的传播与抑制规律成为了研究重点之 一 众所周知，爆炸波所以能自持稳定地传播是由于横波的产生和发展。在可燃气体燃 烧和爆炸过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损失 都与燃烧及压力冲击波有关。压力波和燃烧火焰构成了爆炸波，压力波的力学破坏和燃 烧火焰引起的可燃物燃烧是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段。于是，消除横波，破 坏爆炸波自持传播的机理成为探索抑制爆炸的另一条思路。在爆炸过程中压力波和燃烧 火焰又是相互影响相互依存的。若是没有压力波，爆炸也就蜕化成定压燃烧，火焰的传 播速度很慢，容易抑制，不具有大的破坏性。若是没有了气体的燃烧，压力波就失去了 能量供给，其能量会随着传播而不断衰减，最后消失。因此研究爆炸波在管道内的传播 与抑制也就归结为研究压力波和燃烧火焰在管道内和各种抑爆结构中传播时的变化规 律以及它们之间的耦合关系。 目前对火焰的抑制方法很多，抑制技术也在逐渐成熟。近年来一些学者试图用多孔 或可压缩材料来抑制压力波，并出现了两种抑制压力波的理论，即抑制声动不稳定燃烧 压力峰理论和横波抑制理论。但这只是对抑制压力波的研究进行的初步探讨。在研究可 压缩材料对可燃气体燃烧爆炸的抑制方面，还很少有人研究。为了完善和发展管道内可 燃预混气体的爆炸与抑制的学术研究，本文以实验研究为主要手段，在圆形管道内衬上 不同几何结构的可压缩材料硅酸铝板，通过对实验数据的详细分析，得出了硅酸铝板结 构对可燃气体爆炸波抑制的规律。 在爆炸波传播状况的实验中，介绍了管道内火焰传播速度的变化情况，及爆炸过程 的最大超压及二次反冲过程的特点。 在爆炸波抑制状况的实验中，介绍了硅酸铝板结构对管内预混可燃气体火焰传播的 影响，研究了不同长度、不同厚度的硅酸铝板结构对火焰传播速度、压力波的影响。最 后以实验数据为基础，采用理论方法，提出了能完整描述燃烧气体爆炸性能的爆炸能这 一新概念。同时将硅酸铝板的长度和厚度综合起来用体积来评价其对可燃气体燃烧爆炸 硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究 的抑制作用。实验采取了不同活性的可燃气体( 乙炔、丙烷) 进行试验研究，考察了可 压缩材料硅酸铝板对不同活性的可燃气体燃烧爆炸的抑制效果。 以上研究内容能够为管道内预混气体爆炸的评估与防护提供理论基础，研究预混气 体爆炸波在受约束空间中的传播与抑制不仅可以进一步认识包括燃烧、爆炸、化学反应 在内的流体流动的复杂现象的本质，有很高的学术价值，而且还能够为工业上抑爆、隔 爆和熄爆等安全技术提供理论依据，有深远的实际应用背景。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 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。自1 8 5 7 年英国发 生城市煤气管道爆炸以来，许多学者就开始了对气体爆炸的研究，并己取得一定成果。 该领域的研究主要应用于工业爆炸灾害的防治，同时也应用于燃气发动机的设计、武器 的研制等。爆炸是能量快速释放的过程，是一种高能量密度的能源，在工业上得到了广 泛应用。爆炸常分为物理爆炸和化学爆炸，前者是指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；后者是指爆炸过程中既有物理变化，又 有化学变化的爆炸，如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等。气体爆炸在本质上是可燃气 体与空气或氧的快速氧化反应，属于化学爆炸范畴。 工业爆炸灾害中，单一气体和混合气体爆炸各有各自的特点和规律，但也有其共性 从安全防爆技术角度来看，必须探索和总结这些特点和规律，分析研究爆炸的引发、形 成、扩展和作用效应的全过程，这样才能有针对性地去预防、抑制消除这类爆炸，设计 制定各种科学而有效的防爆措施，以达到安全生产的目的。多数情况下气体都是在管路 中流动的，因此关于管路中预混气体的燃烧状况及如何抑制管中爆炸波传播的研究一直 是国内外科研工作者关心的课题。 本章介绍了国内外有关预混气体爆炸及抑爆实验研究和理论研究的最新进展。对可 燃气体爆炸的机理和基本形式进行了评述，介绍了预混气体的湍流燃烧的基本特点和物 理模型。阐述了火焰的熄灭机理和压力波抑制机理的研究现状。简要介绍了可压缩材料 结构对压力波的抑制理论。通过上述文献评述，确定了本文的研究方向。 1 1 选题的目的及意义 自从气体作为能源用于工业生产和家庭生活以来，它在给人们带来方便的同时，也 造成了极大的危害。气体爆炸的形式不仅限于某些单一气体在一定条件下的分解爆炸， 而且很多可燃气体、液体蒸汽等与空气混合，达到可燃浓度后，一旦有点火源的作用， 便会酿成燃烧、爆炸灾害多年以来，由于人们对气体潜在危险性缺乏必要的认识，致 使发生气体爆炸事故而造成的损失尤为巨大。 人类对气体爆炸的研究是从1 8 5 7 年英国发生城市煤气管道爆炸之后才开始的，直 到十九世纪末，才确定了对主要可燃气体，如氢、甲烷、一氧化碳、乙炔、乙烯等的燃 烧与爆炸的观察结果，提出了防止事故发生的安全措施，并付诸于实施，取得了一定的 成效。但随着科技进步和生产力的发展，大量的新型可燃物不断涌现，更为复杂的多元 化的气体爆炸事故层出不穷。气体爆炸事故不仅在石油、化工、仓储部门发生，而且在 硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究 交通、运输、居民家庭中也频繁发生，阻碍了社会进步和经济的发展，给人民的生活造 成了极大的危害，因而预防这类危险物质爆炸灾害的发生、保证其储运安全已显得尤为 突出和紧迫。 g u g a nk 【l 】曾经对六十年代以来欧美地区1 0 0 起此类事故做过统计，结果表明可燃 性气体爆炸事故的早期发生频率为2 - 8 起年，且以每年3 1 1 起的速度增加。我国2 0 0 4 年7 - 1 0 月国内爆炸事故为2 9 起，受伤人数1 3 7 ，死亡人数1 6 8 ：2 0 0 5 年7 1 0 月国内 爆炸事故为4 2 起，受伤人数2 8 0 ，死亡人数1 0 5 。预计随着全球经济的发展，以及人类 对能源的大规模应用，此类爆炸事故的发生还会增加。大量的事故原因分析表明，可燃 性气体爆炸问题已逐渐成为工程上关注的重点，是少数还未完全解决的问题之一。其爆 炸灾害的发生绝大多数是由可燃气体泄漏，被火源点燃后，受装置、管道等障碍物的扰 动而形成湍流燃烧、爆燃直至爆轰，造成惨痛的人员伤亡和财产损失。 可燃气体爆炸的变化形式有四种，即定压燃烧、爆燃、定容爆炸与爆轰。这四种形 式各有其不同的爆炸参数和破坏效应。但可燃气体爆炸绝大多数以爆燃形式出现，同爆 轰相比，虽然爆燃速度、爆燃波峰压力低得多，但压力作用持续时间较长，冲量较大， 故也具有很大的破坏作用，且爆燃波在一定条件下，如在长径比大于1 0 0 的管道中传播 时，可以由燃烧转为爆轰，管子表面粗糙度、管径、弯曲、障碍物等因素都会显著影响 由爆燃向爆轰转换的距离，造成更大的破坏作用，形成可燃气体爆炸灾害 2 1 。 考虑多数情况下可燃气体都是在管道中流动的，因此关于管道中爆炸波的传播状况 及如何抑制管中爆炸波传播的研究已成为爆炸研究的重点之一。对管道内可燃气体爆炸 威力特别是爆炸压力及火焰传播速度进行定性定量分析，了解其破坏模式，寻找和发现 可燃气体爆炸的抑制方法，较精确地描述整个爆炸过程，可有效地提出减灾防护措施， 最大程度地减少由爆炸引起的连锁反应所造成的人员和财产损失，具有明显的现实意义 和科研价值，同时对丰富和完善气体爆炸理论，也将会起到积极的促进作用。 1 2 国内外的研究现状 可燃气体爆炸过程分为爆燃发生发展过程及爆燃转爆轰过程，这两种过程的形成机 理及破坏效应各有其不同特点可燃气体爆燃的发生、发展主要与可燃气体与空气混合 的浓度、体积及空间分布、点火源的类型、强度及位置、障碍物的形状、数量及分布、 容器的密闭情况或泄压情况有关【2 - 3 1 由于爆炸压力是由气体燃烧和膨胀过程的相互作 用形成的，而约束条件限制了气体的膨胀，从而导致气体燃烧流动的加速，致使爆炸压 力增大。c h a p m a n 和w h e e l e 一进行了早期的管道火焰传播试验。他们发现了连续的火 焰加速现象和管道内有障碍物时的火焰加速和压力增高现象。h j e r t a g d 5 j 等人针对管道 一4 - - 大连理工大学硕士学位论文 内障碍物对甲烷空气、丙烷空气混合物爆燃过程中的火焰速度与压力的影响进行了实 验研究，他们在一端开口的大型燃烧管中分别充入甲烷空气混合物和丙烷空气混合 物，并依次改变管内障碍物( 环形板孔) 的数量和堵塞面积，并在闭端点火，观测管内 火焰速度和爆炸压力的变化情况。实验表明，障碍物产生的湍流效应，对火焰产生明显 的加速作用，而且通过设置适当数量和大小的障碍物，能够获得最大的火焰燃烧速度及 爆炸压力。此外，通过比较还发现，在同样实验条件下，丙烷空气混合物和甲烷空气 混合物的爆炸压力之间存在较大差别。f 纽、张a t h 日等人针对预混气体( 甲烷空气化学 计量浓度混合物) 的火焰在一系列小型圆柱形爆炸管内的传播过程，进行了实验和理论 研究。d u 蛆一r a n k p i 等人同样针对可燃气体火焰在局部封闭( 一端封闭，另一端开口) 的含有障碍物的管道内的传播过程进行研究，并提出了预测管内超压的简化模型。国内 周凯元、李宗芬【8 j 针对丙烷空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动及影响因素等 进行了初步的实验研究。研究表明，在内壁光滑或近于光滑的直管道中，闭端点火比开 端点火可以获得更大的爆燃火焰加速度。点火能量的有限改变对初期传播的气体爆燃火 焰加速度有较大影响，当管道内有障碍物时，将明显增大爆燃火焰的加速度，并有可能 出现燃烧转爆轰。 爆燃转爆轰是当前气体爆炸研究的热点和难点之一，是造成爆炸灾害的主要原因。 对于长距离输送管道特别容易出现这一现象。管道内爆燃波是一种不稳定状态的燃烧 波，它有可能在爆燃的后边界约束增强或存在障碍物的情况下，使压力波逐渐增强，火 焰不断加速，直至火焰阵面赶上前驱压力波阵面，形成带化学反应区的强冲击波，爆燃 波转为爆轰波【9 】。爆燃转爆轰出现的可能性及转变距离取决于火焰的加速速率。m o c n i 【1 0 l 等人针对爆燃转爆轰及火焰加速机理开展了实验研究。研究表明，对于反应较剧烈的燃 料空气混合物来说，导致初始层流火焰加速转变成湍流火焰的原因主要有两个：一是 当雷诺数交得足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；二是压力波与火焰的相 互作用。k n y s t 卸t a s 、k c 【1 l j 等人通过实验观测到了火焰传播的三种状态：( 1 ) 湍流爆燃 状态，典型火焰速度小于1 0 0 m s ；( 2 ) “扼流”状态，火焰速度相当于燃烧产物的声 速；( 3 ) 准爆轰状态，波速为c - j 爆速5 0 - 1 0 0 ，并测得了由湍流爆燃转向扼流和由扼 流转向准爆轰时所对应的计量比浓度值，研究人员还分别在的钢管中，采用固体炸药直 接引发爆轰，并使用烟膜技术对爆轰波的胞格尺寸进行了测量；国内胡栋【1 2 】等人对圆 柱形激波管中氢氧混合物爆燃转爆轰进行了研究，测得了爆炸极限、爆炸波传播速度 和压力等，并利用烟膜技术测量了气体爆轰形成的胞格结构；徐守彬【廿】等人在水平激 波管内进行了民用液化石油气燃烧转爆轰的初步实验研究，得出了一些反应爆炸压力随 时间和距离变化规律的数据，并证明了不同点火能量对可燃混合物的燃烧转爆轰有影 硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究 响，随着点火能量增大，爆燃转爆轰的转变距离变短，在重复设置障碍物的情况下，转 变距离也将大大缩短：林伯泉【1 4 1 等人研究了瓦斯爆炸过程中火焰与超压之间的关系、 火焰与爆炸波之间的相互关系、障碍物对火焰、爆炸波传播的影响。结果表明，超压与 火焰的速度有关，障碍物对火焰的传播具有加速作用；余立新等人通过实验研究了 氢空气混合物的预混火焰在半开口管道中的火焰传播加速现象。结果表明，火焰传播 状态随着氢气当量比的变化而发生改变。 综上所述，国外在可燃气体爆燃、爆燃转爆轰等方面取得了一些研究成果，国内也 进行了一定研究，但研究成果与国外相比存在一定差距，尤其是针对混合气体爆炸威力 及其抑爆技术的研究更为薄弱，急待做进一步的研究。随着军备需要的不断增强以及气 体爆炸灾害的不断发生，国内外学者从实验、理论和数值模拟等多个方面对可燃气体从 低速层流、预混燃烧发展到快速爆炸的条件和机理进行了深入研究。 1 2 1 实验研究的进展 西方发达国家关于气体爆炸问题已做了很多的实验工作。l e y e r 1 6 j 在实验室做了一 系列点燃半球形肥皂泡内可燃气体的试验，同时也对气体内障碍物的存在及射流对燃烧 特性的影响进行了详细的研究。对于直径在4 - 4 0 c m 之间的肥皂泡内的燃料空气混合 物在无障碍物的情况下，火焰速度接近层流火焰速度。不同长径比的圆筒形肥皂泡内的 气体燃烧速度更低，如乙烯的最大火焰速度为4 2 m s 。h o f f 【1 7 用模拟试验研究了直径 1 0 c m 的天燃气管道破裂、泄露的点火爆炸，管道初始工作压力6 0 0 0 k p a ，流量为 4 0 0 0 0 0 m 3 s ，试验中测得的最大火焰速度约为1 5 m s ，在距离5 0 m 处测得的最大超压 约为1 5 0 p a ；z c c u w e n 等f 1 8 j 在荷兰w e s t e r s c h e l d t 河口南岸的m u s s e lb l a n k s 的开阔水平 地势上进行了大规模的丙烷( 1 0 0 0 4 0 0 0 k g ) 自然扩散后燃烧试验，目的是研究可燃气体 爆炸冲击波的破坏效应。结果表明，火焰阵面的速度具有很强的方向性，并且与风速有 关。 在有约束、有障碍物的气体爆炸事故中，爆炸火焰可以加速到每秒几百米甚至更高 的速度。障碍物引起火焰加速的机理是由于气流与障碍物相互作用产生大的涡流以及反 应阵面内热量和质量的湍流输运。当未燃气体燃烧后，体积会膨胀至原来的8 9 倍，燃 烧物会推动未燃气体向前流动，由于障碍物的存在，加速了湍流的形成，当火焰穿过湍 流区时，燃烧速度会显著提高。增大的燃烧速度会进一步促使流动速度和火焰面前方湍 流度的提高。如国内周凯元等i s 采用图1 1 的装置，设置加速环对爆燃火焰在直管中加速 运动的规律及影响因素进行了实验研究，包括爆燃火焰在光滑内壁管道中的传播状况、 管道直径和点火能量的变化及障碍物对火焰加速的影响，得出以下结论：闭端点火比开 大连理工大学硕士学位论文 端点火火焰加速增大5 倍以上，且管径较大加速也较大；点火能量的影响仅限于火焰的 传播初期，而障碍物对爆燃火焰的加速影响很大，并对当前的工业阻火及防爆安全提出 了更新的要求。 a 电火花引爆器b 火花塞c 真空泵d 预混气罐e 瞬态波形存储器f 电荷放大器 g 真空阀h 火焰传感器k 真空压力计s 阻火器i 试验管火焰加速段试验管观察段 图1 1 实验装置 f i g 1 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 爆轰是可燃气体爆炸事故中破坏最为严重的一种情况。爆轰波是一种超音速燃烧 波。一般气体的爆轰波传播速度可达1 5 0 0 2 0 0 0 m s ，峰值压力可达1 5 0 0 2 0 0 0 k p a 在 实际的可燃气体爆炸过程中，一般情况下的点火能量都较低，如静电点火，机械摩擦点 火或故障电火花点火等，一开始火焰以3 - 4 m s 的层流火焰速度向前传播【1 9 】，如果可燃 气体周围的环境是无约束无障碍的情况，则其火焰速度一般不会超过2 0 - 2 5m s ，由其 产生的超压也比较小。像可燃气体被高能量起爆装置点燃后发生直接爆轰这样的情况在 工业爆炸事故中发生的可能性极小。一般的情况是，可燃气体被弱点火而导致爆燃，然 后通过火焰传播过程与其自身诱导的膨胀流动相互作用后才有可能发展成爆轰。 g v o z d e v a 2 0 研究了正激波在多孔、可压缩材料上的反射，发现反射波在某些条件下 明显地衰减了。d u p e r 【2 1 】利用衬在管壁上的吸收材料，研究爆轰波在阻尼段上游和下游 其横波的变化，认为在衬有吸收材料的管壁上热量和动量的损失是可以忽略的次要因 素，爆轰波在通过阻尼段后衰减以至蜕变的主要原因是横波的声吸收。v a s i l c v l 2 2 在多 孔管壁的管道内研究了临近极限的爆轰，并引入了横波与管壁非弹性碰撞的概念，试图 用反射系数来解释这种衰减。t e o d o r e c z y k 2 3 l 对氢氧混合气体爆轰波的衰减作了照相记 录，并提出了一个关于爆轰波沿多孔材料传播时简化的模型。， 顾根伫卅对1 9 2 1 1 9 7 7 年间发生的1 0 0 起蒸汽云爆炸事故进行了统计分析，结果表明， 硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究 多数蒸汽云爆炸事故是爆燃而不是爆轰。尽管蒸汽云被点火后直接发生爆轰的可能性很 小，但蒸汽云发生爆燃后转变为爆轰的可能性是存在的。蒸汽云的爆燃转爆轰现象是由 m o e n 等【2 5 l 在一个大型乙炔空气爆炸试验中发现的，后来的许多研究表明气体射流湍 流燃烧引起爆轰也是可能的。对于活性相对较低的气体空气混合物，只有在其燃烧过 程存在合适的边界条件时才会发生爆轰，这些边界条件在火焰阵面前的气体流动中诱导 湍流结构，从而引发燃烧反应的正反馈加速机制。 上面分别对无约束条件及有约束条件下的可燃气体爆燃及爆轰进行了综述，从前人 的实验结果可以看出，初始情况为静止的完全无约束可燃气体在弱点火条件下一般不会 产生很大的冲击波。湍流是燃烧加强的决定因素，它可以通过以下两种方式产生，一是 由于燃料在高压下的猛烈释放或容器破裂时的爆炸性释放；二是由于燃烧过程产生的气 体流动与边界条件的相互作用，合适的边界条件可能会使火焰传播加速从而达到爆轰状 态。这些边界条件包括有足够的约束程度或足够障碍物的不规则约束。在化工厂、煤矿 井下或炼油厂稠密的工业处理设备中曾发生过很多蒸汽云爆炸事故。可以说，在各种工 业可燃气体爆炸灾害中，部分约束的爆炸模型是比较普遍的。 国内对可燃气体爆炸的研究刚刚起步，为了研究矿井下瓦斯煤尘爆炸，炭科学研 究总院重庆分院在2 0 世纪8 0 年代初建成了断面积7 2 m 2 、长7 2 0 m 的地下爆炸实验巷 道和一系列刚性地面爆炸实验管道闭。9 0 年代初，北京理工大学建成了爆炸灾害预防 与控制国家重点实验室，其中的实验设备，如激波管、2 0 l 及1 m 3 爆炸实验装置等， 都以研究管道和密闭容器中的爆炸为主。9 0 年代中期，中国矿业大学建成了瓦斯爆炸 试验系统，试验管道为8 0 r a m 8 0 r a m 的方管，每节长有o 5 ，1 0 ，1 5 ，2 5 m 4 种， 总长2 4 m 。在方管上有压力、温度、火焰传感器和点火装置的安设孔。林柏泉博士等 田荆用此设各对瓦斯爆炸过程中障碍物对火焰和爆炸波的影响进行了实验研究。结果 表明，有障碍物存在时，火焰的传播速度将迅速提高，在2 0 倍长径比处达到最大值， 随后逐渐率减，直至熄灭。对于敞开空间的气体爆炸，大连理工大学开展了一些实验 研究，如毕明树等人田】进行了小规模蒸汽云爆炸实验，对直径分别为1 m 、2 m 、3 m 的 乙炔空气混合气体和直径为2 m 的液化石油气空气混合气体进行了爆燃实验测试。 对不同距离上测点的超压记录表明，在气体火焰熄灭以后，最大超压值随着距离的增 加呈指数规律衰减。2 0 0 3 年以来，大连理工大学化机系喻健良、周崇、孟伟等人对多 层丝网结构的淬熄性能进行了大量的研究。提出了用临界淬熄压差和临界淬熄量来描 述阻火结构性能的新概念，并将火焰传播速度和压力差综合起来研究，使用临界淬熄 量来衡量多层丝网结构的淬熄性能。同时还研究了多层丝网结构对管内火焰传播的影 响。得到临界淬熄速度、临界淬熄压差、临界淬熄量与丝网层数、丝网且数、金属丝 大连理工大学硕士学位论文 径这三个多层丝网结构的几何参数之间的关系式。 上述研究能够为管道内预混气体爆炸的评估与防护提供理论基础，可以进一步认识 包括燃烧、爆炸、化学反应在内的流体流动的复杂现象的本质，有很高的学术价值，还 能够为工业上抑爆、隔爆和稳爆等安全技术提供理论依据，有深远的实际应用背景。 1 2 2 理论研究的进展 在气体爆炸的理论研究中，首先出现的是经验方法。研究者们在大量气体爆炸事 故的基础上对数据进行分析和处理之后，得到了一些有用的经验公式。代表性的有耵叮 当量法，t n o 法、多能法、改进的多能法、b r i t i s hg a s 法和s h e l l 法。这些方法有各自 的使用条件。 理论研究的另一个重要方面是探索可燃气体爆炸场的解析解。k u h i 与o p p e n h e i m 2 9 1 用自相似方法研究了稳定火焰在可燃气云中传播产生的压力波。为了满足流场的自相似 条件，仅考虑火焰达到稳定传播的情况。由于假设火焰阵面后的流场为静止的，因此该 自相似解只适用于燃速低于c - j 燃速的火焰传播问题。用自相似方法求解非理想爆源的 冲击波生成规律的还有d a b o r a 3 0 l 等人。k u h l 的结果通常用来校正其它方法得到的结果， 但需要进行数值积分。b a c h 与l e e 3 1 】等人在k u h l 分析解的基础上进一步简化得到近似 解，不需要数值积分( 只要求解代数方程) ，由于误差较大，使用范围受到限制，实际 应用的不多。 开敞空间气体爆炸已有的理论研究方法包括n 盯当量法、t n o 多能模型、k u h l 模 型。 ( 1 ) 耵盯当量法虽然比较简单，但属经验方法，对气体爆炸场的测算比较粗糙，偏 差较大。主要原因是可燃气体爆炸属非理想爆炸，而耵盯爆炸产生的冲击波是理想冲 击波，两者的冲击波波形相差非常大，n 盯爆炸是近似点源、能量瞬间释放的爆炸；气 体爆炸是大体积的燃烧加速爆炸，受整个气云浓度分布场的限制，爆炸波的传播过程中 是否受到阻塞及障碍物的约束都对爆炸威力产生影响。 ( 2 ) t n o 多能模型是综合蒸气云内部各部分对超压的贡献大小而形成的模型，按火 焰速度的不同给出了1 0 条曲线，代表了i o 个不同的爆炸级别，涵盖了从较弱的爆燃波 到剧烈爆炸以致产生爆轰波的情况，概念上较合理，但应用时带有很强的主观性。 ( 3 ) k u h l 模型忽略了爆炸场的某些条件，简化了场的模型，得出开敞空间碳氢化合 物可燃气体爆炸场气体动力学参数的计算方法。但未考虑点燃的具体情况和初始火焰加 速情况；只有最大超压值，没考虑冲击波超压作用时间；假设火焰传播速度恒定。由于 一9 一 硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究 这些对爆炸影响大的因素被忽略，因而不能够准确研究气体爆炸的特性，对爆炸威力预 估影响很大。 随着流体力学和计算机技术的飞速发展，用数值模拟的方法来研究气体爆炸问题逐 渐提到日程上来。数值模拟方法作为理论研究的辅助工具得到了广泛的应用。通过实验 测量一般只能得到爆炸流场某些特定点的压力波形，对于整个爆燃场的作用载荷分布， 运用合理的数值模拟方法，分析非定常流场的发展演化过程，才能获得爆燃场更多变化 特征。从开始对模拟无反应无粘性流体的一维流动，到今天的一些详细模拟带化学反应 的多维流动问题都相应地取得了一定成果。目前用于气体爆炸的数值模拟方法大体可分 为两类：拉格朗日法和欧拉法。 国外的多家研究机构在气体爆炸的数值模拟方面进行了较深入的研究。芬兰核工业 研究所在8 0 年代就开展了三维的气体爆炸数值模拟，并用其实验加以验证，吻合很好。 国内对可燃气体爆炸的数值模拟研究已取得了一定进展。徐胜利等 3 2 - 3 3 _ 直在对燃 料空气炸药云雾爆炸场进行了数值模拟研究，包括近期对多爆源爆炸波的三维数值模 拟进行的研究，并在此基础上开发了计算软件，但研究中没有考虑复杂的燃烧反应和湍 流的影响。姚海霞等p 4 l 采用双方程模型和改进的e b u 燃烧模型对障碍物诱导的湍流与 燃烧耦合作用下的流场进行了模拟，揭示了障碍物、湍流及火焰之间相互加速的正反馈 机理，其三维模拟的结果与实验数据吻合较好。 数值模拟方法综合考虑了点火能量、燃料种类和含量、障碍物及泄放实际情况等重 要的影响因素，而这也正是前述的其它理论方法的不足之处。但数值模拟也有一定的局 限性。首先是数学模型的准确性，这不是所有闯题都能做到的。不少闯题，其机理尚未 完全清楚，很难有准确的数学模型。其次，数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需 要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。 可燃气体爆炸的研究多集中在障碍物对爆炸威力及火焰加速的影响，尤其是有障碍 物的开敞空间的实验研究，将是今后实验研究的重点。理论研究中，t n t 当量法属偏差 较大的经验方法，k u h l 模型是简化的模型，t n o 多能模型经改进仍有较大的应用空间。 相比较而言，气体爆炸的数值模拟研究方法，因其能够模拟影响气体爆炸等众多因素， 在预测可燃气体爆炸场的特性中应用将会越来越广泛。 1 3 可燃气体的爆炸理论 1 3 1 气体爆炸机理 气体爆炸是一种非点源爆炸，与凝聚炸药有很大的区别。通常按气体燃烧和爆炸的 危险性把气体分为四大类：可燃性气体、助燃性气体、分解爆炸性气体及惰性气体。一 大连理工大学硕士学位论文 般情况下对气体爆炸机理可以从以下两个方面说明：分解爆炸性气体的分解爆炸和爆炸 性混合气体的爆炸。 ( 1 ) 分解爆炸性气体的分解爆炸 在日常生活中我们经常遇到这样一种情况：某些气体即使在没有空气或氧气的情况 下同样可以发生爆炸，如乙炔在没有氧气的情况下，若被压缩到2 0 0 k p a 以上，遇火星 就能引起爆炸。此外还有其他一些分解反应为放热反应的气体如：乙炔、氧化乙烯、氧 化乙炔、四氟已稀、丙稀、臭氧等也具有同样的性质。出现这种情况的原因在于这类气 体在分解时能放出大量的热量，使分解出来的气体受热膨胀，造成压力的急剧升高和释 放从而导致爆炸。气体的分解爆炸过程是以伴随放热的分解反应为主的，f 司时产生特殊 的分解火焰。 由于分解爆炸性气体的分解热为爆炸提供了足够能量，故发生分解爆炸时并不一定 有助燃气体存在。一定的压力和温度是发生分解爆炸的外在因素。从图1 2 可看出分解 爆炸性气体发生分解爆炸的难易程度与压力有关：在压力低时，需要较大的能量；压力 较高时，稍加能量便能发火。随着压力的下降，所需发火能将依次增加，低于某一压力 时，火焰便不能继续传播，此压力称为分解爆炸的临界压力。分解火焰传播的中断压力 ( 即l 临界压力) 未必高于大气压，故可判定分解爆炸未必是高压气体特有的性质所引起 的 3 1 1 3 5 1 。 最i h 点火铑 图1 2 乙炔爆炸压力与最小点火能的关系 f i g 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x p l o s i v ep r e s s u r eo fe t h y n ea n dm i n i m u mi g n i t i n ge n e r g y 在对分解火焰的发生及传播进行观察时发现，其状态与气体爆炸极为相似，而分 解爆炸性气体中绝大多数是可燃性气体，它们与空气混合后同样存在着爆炸的危险， 硅酸铝板抑制管内气体爆炸的研究 故可将其作为气体爆炸的特殊类型来进行研究和处理。 ( 2 ) 爆炸混合性气体的爆炸 可燃性气体与助燃性气体混合并达到爆炸极限便可能会引起爆炸，这一类气体混 合物称为爆炸性混合物。例如可燃性气体和空气预混合后在一定范围内遇火可以发生 燃烧，它是由发火源产生的火焰在混合气体中向前传播的所谓“火焰传播”现象，这 时，在已燃气体和未燃气体的界面有火焰产生，出现高温和强光。因为燃烧气体能够 自由膨胀，所以在火焰传播速度较慢时每秒只有几米或更小，几乎不产生压力波和爆 炸声响，只有当火焰速度很快时，才可能产生压力波和爆炸声响，而当火焰速度进一 步加快，达到每秒数百米甚至上千米时，则燃烧可向爆轰转变，形成强大的冲击波， 给周围环境以巨大的破坏力 在可燃气体( 或蒸汽) 与空气均匀混合成预混合气的情况下，若其浓度在爆炸范围 内，则其燃烧物理模型如图1 3 所示 3 6 1 ： 图1 3 预混气火焰蔓延物理模型 f i g 1 3p h y s i c a lm o d e lo f f l a m es p r e a do f p r e m i x e dg a s 当预混气被一点火源点燃时，立即形成一个小火球，成为中心火源，在其周围形 成的燃烧波以球面波的形式向周围传播，火焰向四周蔓延，中心点火源外层的预混气 被点燃，成为一个较大的火球，也就是一个新的燃烧波面，它又继续向外蔓延，使球 壳形的反应区逐层增大。由此可知，火球以一层层同心球面波的形式往各个方向蔓延 和扩展，最终将空气中的预混气点燃，如果燃烧过程发生在密闭的容器中，则由于气 体燃烧产物的温度上升，以及由此引起的压力急剧增加，便形成爆炸，可以造成极大 大连理工大学硕士学位论文 的破坏作用。 对比于气体的燃烧过程，从机理上说，爆炸性混合气体发生爆炸的原因可用链式反 应理论和热爆炸机理来加以解释。 链式反应理论 链式反应理论是由前苏联科学家谢苗洛夫提出来的。根据链式反应机理，爆炸性混 合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连锁反应的活动中心，活性分子自由基与 另一分子作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，形成一系列的连锁反应， 从宏观上看，爆炸性混合物在一点上着火后，热量及活性中心都向外传播，促进相邻一 层混合物发生化学反应，然后该层又成为热量和活动中心新的源泉而引起新的相邻一层 混合物的反应，如此循环往复，直到全部反应物均反应完为止。通过实验也可观察到在