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軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究

文檔作者：楊國剛		點擊數：	更新時間： 2025年09月04日
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大連理工大學
博士學位論文
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
姓名：楊國剛
申請學位級別：博士
專業：化工過程機械
指導教師：丁信偉
20050401
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
摘要
開敞空間可燃氣云爆燃事故是一類破壞力極強的工業災害。深入研究因事故泄漏所
引發的可燃氣云爆炸威力及其相應的規律，是創立抑制和預防此類工業災害技術的理論
基礎，具有重要的學術價值和社會經濟價值。在現實工業環境中生成的可燃氣云，由于
受到諸多因素的影響，氣云形狀極其復雜，可燃氣分布也極不均勻。為掌握氣云爆燃災
害的內在規律，設計了理想化的規則形狀的氣云幾何模型，并從可燃氣濃度均勻分布的
氣云爆燃入手，進而對簡化的非均勻分布氣云爆燃進行研究。主要研究內容如下。
1．濃度均勻分布的軸對稱可燃氣云爆燃過程的數值模擬與實驗研究
基于Bakke一硒ertager燃燒模型、流體力學控制方程組、燃料氣體組分方程，建立了
考慮化學反應的濃度均勻分布的半球形可燃氣云爆燃的二維數學模型。
為求解該模型，對數值方法進行了研究。在現在SIMPLE算法基礎上，采用壓力校
正、速度校正、密度校正相結合的思想，推導出改進的密度校正方程，并對計算流程進
行了改進，從而得到可用于開敝空間可燃氣云爆燃流場計算的算法。
采用vc++6．0語言編制了模擬程序。通過模擬，得到了氣云爆燃引發后爆燃流場的
變化、發展規律；在此基礎上，探討了氣云爆燃過程中超壓的生成機理；考察了地面、
弱約束物、氣云形狀等因素對爆燃強度的影響規律；預測、分析了工業大尺寸氣云的破
壞強度。
設計并進行了大量的實驗。通過實驗得到了各因素對爆燃超壓的影響規律，并為數
值模擬提供了考核數據。考核結果表明，計算值與實驗測得的相應結果基本吻合。
2．半球形高斯分布可燃氣云爆燃的數值模擬
以可燃氣體呈簡化的高斯分布的氣云為例，對非均勻分布的可燃氣云爆燃，采用數
值模擬的方法進行了研究。經數值模擬分析，預測了該類氣云爆燃的強度。經過與均勻
分布氣云爆燃結果進行對比，發現兩類氣云爆燃強度相差較大，并對這種差異產生的原
因進行了探討。
3．障礙物對可燃氣云爆燃強度的影響研究
大連理工大學博士學位論文
通常存在于爆燃災害現場的障礙物千差萬別。國內外學者已經完成的實驗研究，都
是針對各自的特定工況，很難利用這些數據進行總結與推理。對現場存在的障礙物進行
簡化與理想化處理，設計了具有軸對稱性質的半球環條柵形障礙物，選取具有代表性的
三個特性參數(障礙物半徑、條柵寬度、空隙寬度)，采用實驗與人工神經網絡技術相結
合的方法，掌握了上述特性幾何參數對氣云爆燃強度的影響規律，為今后的系統研究奠
定較好的理論與實驗分析基礎。
關鍵詞：可燃氣云；爆炸；爆燃；濃度分布；數值模擬；障礙物；人工神經網絡技術；
爆燃強度；超壓
II
塑墮整墊壅壅堡!旦簽皇墨墼堡墮里塞
Abstract
Deflagration of flammable gas cloud is a fatal disaster with great destructive power in
industry．Investigation into its explosive power and corresponding regulations is the theoretical
basis for explosion suppression and prevention technologies and is of important academic and
economical value．Formed under the practical industry environments，the gas cloud is random，
and its concentration is nonuniform due t0 complex influencing factors．In order to find the
intrinsic regulations of deflagration，ideal geometrical model using uniform gas cloud was built,
then nonuniform gas cloud Was studied in the continued work．Main work in this thesis iS as
fo】lows．
1．Numerical simulations and experimental investigations into deflagration of
eentrosymmetrieal gas cloud with uniform distribution
Based on Bakke-Hjertager combustion model，goveming equations ofhydrodynamics and
species equations，two—dimensional model on chemical reactions involved in gas cloud
deflagration in uniform distribution Was built．
To solve the model above，numerical methods were analyzed end investigated thoroughly．
Based on SIMPLE algorithm with the ideas that combined the correction of pressure，velocity
and density,improved density correction equations were deduced and Dew calculation for flow
was designed．The new numerical method caB．be used to simulate deflagration of gas cloud in
unconfined space．
Variations of gas cloud deflagration were simulated by compiled VC++6．0 programs．hl
addition，effects ofground，weak constraints and shapes ofgas clouds on deflagration intension
were discussed，and the deflagration intension of the large-sized gas cloud Was forecast and
analyzed．
Plentiful experiments were designed and carried out，and effects of various factors on
overpressure were obtained．Plentiful data were provided to evaluate numerical results and the
stIldy showed that the numerical results were in well agreement with experimental data．
2．Numerical investigations into semispherieal gas cloud deflagration in Gaussian
distribution
Deflagration of sernispherical gas cloud in Gaussian distribution was simulated，and
TTT
大連理工大學博士學位論文
deflagration intension was forecast．It was found that deflagration intension Was greatly
different from uniform gas cloud．The reasons wei'e analyzed in this thesis．
3．Investigations into effects ofbarriers in the gas cloud on deflagration intension
For the complexity of barriers in gas cloud on site of explosions，DO regular conclusion
has been obtained from the finished experimental investigations at home and neither has it been
reported．By idealizing barriers，axisymmeWical bar-shaped barrier was designed．Combining
artificial neural networks technology謝m experiments，effects of three typical parameters，
known as radius，bar width and spacing ofbarrier,Oil deflagration intension were obtained．The
work established firm basis for theoretical and experimental investigations for the future．
Keywords：Flammable gas clou也Explosion，Deflagration，Distribution of Concentration
Numerical Simulation Barrier,Artificial Neural Network,Deflagration intension，
Overpressure
Ⅳ
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
O前言
可燃氣體泄漏到大氣中，與空氣混合形成可燃氣云，遇到合適的火源可引發可燃
氣云爆燃事故，往往造成嚴重的財產損失與人員傷亡。它可發生在化工、石油、冶金、
煤炭、紡織，軍工等行業，涉及面廣，危害極大。因此，對可燃氣云爆燃進行有效預
防與防護，具有重要的現實意義。
可燃氣云爆燃的預防與防護是一項系統工程，涉及的研究方向很多。例如可燃氣
云形成的預測，氣云爆燃強度的預測，防爆抑爆方法的研究等。其中，對可燃氣云爆
燃強度的預測，是提出防爆抑爆措施的重要基礎，該項研究是目前國內外安全工程研
究領域的一個熱點。
可燃氣云爆燃的破壞能力，即爆燃強度(也有文獻稱為爆燃威力)，是一個很復雜
的概念。爆燃波由沖擊波與火焰波組成，它們都具有破壞能力，因此氣云的爆燃強度
為二者的破壞能力之和。在實際研究中，因為火焰溫度變化范圍不大(約
1800K一2600K[5])，它的破壞能力可近似認為是確定量，所以研究者最關心的是沖擊波
的破壞能力。目前，評價沖擊波強弱的常用指標為超壓Ap，它是實測壓力與大氣壓之
間的壓力差，本文所指的爆燃強度即為“沖擊波超壓A p”。
可燃氣云爆燃是一種快速的、非定常的、帶化學反應的、受眾多物理因素影響的
流體力學過程，它比穩態的燃燒或爆轟更復雜。因此，對可燃氣云爆燃強度進行研究
難度較大，雖然經過了幾十年的發展，但目前無論在理論上還是實驗技術上都沒有達
到成熟的階段，有待于進一步的研究與發展。
在工程應用中，人們關心的是某一廠區如果發生爆燃所能產生的最高強度。實踐
證實，同樣的可燃氣體泄漏量，形成均勻氣云時爆燃強度最高，因而均勻可燃氣云就
成為最常見的研究對象。在實驗研究中，一般采用塑料薄膜把氣云約束成一定的形狀
和體積，來研究可燃氣體種類、濃度，氣云體積，以及障礙物等對爆燃強度的影響。
在實驗基礎上，研究者提出了一些預測爆燃強度的簡單方法。如多能模型法，使用者
只要事先假設爆燃等級，查閱圖表就可以得到不同位置的爆燃超壓。進入八十年代后，
隨著計算機技術的發展，數值模擬方法成為重要的研究手段，先后出現自相似法，能
量加入法，能量波模型法等方法。這些方法都假設氣云為半球形均勻氣云，在對化學
反應與流動過程進行簡化基礎上，建立數學模型后求解，得到壓力、溫度、密度等參
數隨時間、空間的分布規律。
大連理工大學博士學位論文
可燃氣體泄漏時，受泄漏源性質以及天氣條件的影響，會形成形狀各異，可燃氣
體濃度分布極其復雜的氣云。對這種非均勻分布氣云爆燃強度研究，文獻中只有少量
的實驗報道。
根據上述研究背景，本文研究工作將分為無障礙物與有障礙物氣云爆燃強度研究
兩部分。
第一部分，首先研究半球形均勻氣云爆燃，在其基礎上，再研究圓柱形均勻氣云
爆燃與符合高斯分布的非均勻氣云爆燃。將采用實驗與數值模擬相結合的方法，著重
解決兩個問題。一是能夠正確地反映爆燃過程中流場的變化規律，揭示超壓的生成機
理。二是通過對符合高斯分布的這種簡單非均勻氣云的研究，為以后對任意形狀、任
意分布可燃氣云爆燃強度的研究奠定基礎。
第二部分，針對目前還無法對有障礙物氣云爆燃進行精確模擬的現狀，采用實驗
與人工神經網格相結合的方法，對氣云內部具有規則形狀障礙物的氣云爆燃進行研究，
以得到具有規律性的結論。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
1文獻綜述
本章將首先介紹可燃氣云爆燃事故的危害以及相關的研究方向，指出進行可燃氣
云爆燃強度研究的重要意義。然后介紹可燃氣云爆燃的特點，評價準則以及影響爆燃
強度的一些重要因素。最后在對國內外可燃氣云爆燃強度研究的實驗、數學解析、數
值模擬等研究方法進行評述基礎上，確定本文的研究技術路線。
1．1課題背景及意義
1．1．1可燃氣云爆燃事故的危害
可燃氣體或低沸點的可燃液體由于事故性泄漏形成可燃氣云，遇到合適的點火源
引發可燃氣云爆炸(fla苴lIIlable vapor cloud explosion)事故，可導致嚴重的財產損失和
人員傷亡，是現代工業災害中的主要形式之一[H】。氣體爆炸從機理上講分為兩類，一
是爆燃(deflagrafion)，二是爆轟(detonation)。一般認為，可燃氣云爆炸絕大多數為
爆燃，發生爆轟的可能性極小[11。
根據Kahn的研究，1926到1997年間，發生在各行各業的3222次大型事故中，
可燃氣云爆燃造成損失約占總損失75％[21。
可燃氣云爆燃涉及面廣，危害性極大。它可發生在冶金、石油、煤炭、輕工、兵
工、藥物、化工以及交通運輸等行業或部門。1974年6月1日，英國弗里堡化工廠，
由于管道破裂，致使約45噸環己烷泄漏，最后引發可燃氣云爆燃，造成28人死亡，
89人受傷，直接經濟損失達1億美元[3,41。1989年6月3日，前蘇聯西伯利亞，由于輸
送碳氫燃料的管道破裂，致使大量燃料泄漏形成直徑約5英里的可燃氣云，當距泄漏
點0．5英里的鐵路上兩列火車交匯通過時引發爆燃，造成462人死亡，796人受傷，火
車全部被毀[I】。國內，1993年lO月，南京金陵石油化工公司煉油廠，由于汽油泄漏引
起爆燃，2人死亡，損失幾千萬人民幣。同月，北京燕山石化公司化工一廠，因乙烯泄
漏造成的爆燃，死亡2人，損失達二億人民幣[51。類似的事故舉不勝舉。隨著現代工業
的發展，生產規模的擴大，以及一些新產業和新技術的出現，使氣云爆燃災害的潛在
可能性增加，事故的危害程度迸一步增大。因此，研究可燃氣云爆燃的成災機理，提
出防災減災措施，具有重要的現實意義。
7
大連理工大學博士學位論文
1．1．2可燃氣云爆燃研究的主要研究方向
圖1-1是可燃氣云爆燃的事故樹模型[Il。
對圖進行分析可以發現，發生可燃氣云爆燃需要多種適宜條件。可燃氣體或低沸
點液體泄漏到大氣中形成可燃氣云，如果可燃氣濃度在爆燃極限之外，或沒有點火源，
氣云就會逐漸稀釋直至消失；而泄漏后立即點火，會引發火災，危害性相對較小。
如果泄漏發生后，經過一定時間的延遲，形成混合較好的可燃氣云，再遇到合適
的點火源可能引發可燃氣云爆燃。從以前的事故來看，延遲時間可以從幾秒到幾十分
鐘，泄漏的燃料量由幾十公斤到幾十噸不等。取決于可燃氣云性質、氣云所受約束情
況等不同條件，爆燃所造成的破壞效應差別很大。既可引起人員傷亡，設備損壞等災
難性后果，也可不造成破壞性影響。一般來說，由于多米諾效應，爆燃會引發火災以
及沸騰液體膨脹氣化爆炸等連鎖反應【8一，破壞力也大大增強。
針對爆燃災害發生的不同階段，可燃氣云爆燃研究可分為三個完全獨立而又相互聯
系的研究方向。首先，是可燃氣云形成的研究，即根據泄漏源的性質，天氣等的不同
情況，來研究氣云的形狀以及可燃氣濃度分布。其次，是可燃氣云爆燃強度的研究，
即針對不同的氣云狀況，預測其爆燃強度。最后，是防爆抑爆方法的研究[1¨17]。
上述三個研究方向各有側重，都非常重要。其中，可燃氣云爆燃強度研究起到承上
啟下的作用，并且研究難度相對較大，各方面投入也較大，是目前國內外相關研究的
一個熱點。因此，本文選擇可燃氣云爆燃強度研究為具體研究方向。
圖1-1可燃氣體或低沸點液體泄露引發的事故樹模型
Table 1-1 Accidental tree model induced by leakage offlammable gas or low boiling point liquid
塑塾整竺塞叁笪里塑墨墨燮璺塞墮壅——
1．1．3可燃氣云爆燃強度研究的國內外開展情況
可燃氣云爆燃的強度研究，開始于上世紀五十年代。七十年代，位于北歐的北海
油田得到大規模開發，出于安全及經濟上的考慮，各大石油公司投入巨資支持研究工
作。挪威的CMR(Christian Michelsen Research)、荷蘭的TNO(the Netherlands
Organization for Applied Scientific Research)、丹麥的Shell G10bal Solutions等專業研究
機構先后成立。九十年代，上述機構在歐共體的資助下，并聯合了一些其它研究單位，
先后進行了MERGE(Modeling and Experimental Research into Gas Explosions)，
EMERGE(Extended Modeling and Experimental Research into Gas Explosions)等項目的
研究。這是迄今為止世界上投入最多，規模最大，成果最多的兩個研究項目。另外，
美國、俄羅斯、加拿大等國也有機構進行該方面的研究，取得了不少的成果。
國內從事氣體燃燒、爆炸方面研究的單位有：中國科學院、中國科技大學、中國
礦業大學、南京理工大學、北京理工大學、大連理工大學、東北大學等單位。就具體
研究領域來說，這些研究單位各有側重。南京理工大學、北京理工大學原隸屬于兵器
部，研究工作大多帶有軍事色彩，因此氣云爆轟(FAE，FuegAJr Explosion，燃料空氣
炸彈的爆炸形式)研究開展的較多，中國科學院、東北大學也做了一些類似的研究工
作；中國科技大學依托火災國家重點實驗室，在火災研究領域具有較高水平；中國礦
業大學的研究貝fj主要針對井下瓦斯爆燃。上世紀九十年代開始，大連理工大學開始從
事可燃氣云爆燃強度方面的研究，先后得到國家、省自然科學基金委員會的多項資助
(見表1．1)，在國內可燃氣云爆燃研究領域占有重要地位。
表1．1大連理工大學承擔的研究項目
Tablel一1 Research items taken by DLUT
大連理工大學博士學位論文
總的來說，可燃氣云爆燃是一種快速的、非定常的、帶化學反應的、受眾多物理
因素影響的流體力學過程，它比穩態的燃燒或爆轟更復雜。因此，可燃氣云爆燃強度
研究面臨很多困難，目前雖然已能解決一些工程問題，但無論在理論上還是實驗技術
上都沒有達到成熟的階段，有待于進一步的研究與發展。
1．2可燃氣云爆燃強度研究的相關理論基礎
1．2．1可燃氣云爆燃的基本形式及特點
人們熟悉的火藥、炸藥等爆炸統稱為理想爆源爆炸。該類爆炸具有如下特點：爆
源能量密度較高；破壞的主要形式是空氣沖擊波，初始爆炸壓力可達到50Mpa量級；
起爆時間短，微秒量級即可發展成爆轟；爆源體積可以忽略不計。
可燃氣云爆炸形式大多為爆燃，能量釋放速率較低，爆炸場參數與爆源的體積、
能量密度關系較大[t8,19]。因此，與上述理想爆源爆炸相比較，又被稱為非理想爆源爆
炸。
可燃氣云爆燃從本質上講是可燃氣體的燃燒過程。氣體燃燒分為四個基本形式，
在不同條件下，這些形式又可以互相轉換[5】。
f1)定壓燃燒(Constant Pressure Combustion)
定壓燃燒是無約束敞開型燃燒。燃燒產物能及時向后排放，壓力始終保持與初始
環境壓力相平衡，系統壓力是恒定的。
(2)定容爆炸(Constant Volume Combustion)
定容爆炸是燃料混合物在剛性容器中，均勻地同時點火時所發生的燃燒過程。此
為理想模型，實際情況是不大可能均勻同時點火，常見的是局部點火，然后擴展到整
體。由于爆炸過程進行很快，密閉容器中局部點火所形成的參數與定容爆炸相差無幾，
可用定容爆炸模型來處理。定容爆炸過程中，容器體積保持不變，混合氣密度也就不
變，壓力隨釋放的化學能的增加而增加。對大多數烴類燃料和空氣的混合物，在化學
計量濃度下，定容爆炸的壓力大約為初始壓力的7～8倍。
(3)爆燃(Deflagration)
可燃氣云爆炸通常屬于爆燃過程。在爆燃過程中，火焰陣面在預混氣云中向前傳
播，已燃氣體由于溫度升高產生向前的膨脹流動，就如同活塞一樣沖擊前面的未燃氣
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
體，產生與火焰陣面同向傳播的沖擊波。因此爆燃波具有兩波三區結構，如圖I-2所
示。兩波即為沖擊波與火焰面，它們把整個流場分為三個區域，0區為可燃混合氣的初
始狀態；i區為前驅沖擊波通過后的狀態，為已擾動區；2區為火焰面通過后的狀態。
乞，巴，p。j￡L二≯氣暑。三蠔}_二孕．％，昂O．N島，‰
e．比內能； u．粒子速度：C一音速： 午等熵指數
圖I-2爆燃波的兩波三區結構
Fig．1-2TwoWaVCS andtllree areaofdeflagrafionW'aVe
爆燃過程中火焰速度變化范圍較寬，可從lm／s直到500～1000m／s；沖擊波引起的
超壓變化范圍為幾kPa至幾百kPa之間。
爆燃是氣體燃燒的一種不穩定狀態。它可以因約束的減弱，排氣及時而使沖擊波
減弱，直至沖擊波消失而淪為定壓燃燒。相反如果爆燃的約束增強，火焰加速，直至
火焰陣面追趕上前驅沖擊波陣面，火焰陣面和沖擊波陣面合二為一，成為一個帶化學
反應區的沖擊波，就轉變為爆轟。
(4)爆轟(Detonation)
爆轟是氣體燃燒的最高形式，與爆燃相比，是完全不同的燃燒模式。爆轟波只具
有一波兩區結構，一波為帶化學反應的沖擊波，它把流場分為已燃與未燃兩區。爆轟
波相對于波前未反應物來說是超音速傳播的，其典型速度為每秒幾km量級。大多數碳
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氫化物和空氣化學計量濃度混合物，典型的爆轟壓力為1．5Mpa量級，純氧中爆轟壓力
可提高一倍左右[20-261。
慢速爆燃模式很容易實現，只需用一個很弱的點火源點火即可。例如，只要用零
點幾毫焦的電火花源就可引起爆燃。而對大多數燃料／空氣混合物，直接激發爆轟需要
大約103～106J的起爆能量。
在適當的條件下，爆燃可以突然轉變為爆轟，此過程稱為“DDT”(Deflagrationto
DetonationTransition)。在實際情況下，有許多因素可使爆燃加速到爆轟狀態。例如，
管道內，火焰行進通道上連續布有障礙物，且管道足夠長，就能使火焰連續加速，爆
燃就可能轉變成爆轟。可燃氣云發生爆轟則較為困難，需要有局部密閉或形成湍流加
速條件，或外加強刺激源，才有可能使爆燃轉變成爆轟。通過對以往氣云爆炸事故分
析，實際發生爆轟的情況極少[1Io
1．22可燃氣云爆燃強度的評價準則
可燃氣云爆燃的破壞能力，即爆燃強度(也有文獻稱為爆燃威力)，是一個很復雜
的概念。爆燃波由沖擊波與火焰波組成，它們都具有破壞能力，因此氣云的爆燃強度
為二者的破壞能力之和。在實際研究中，因為火焰溫度變化范圍不大(約
1800K-2600KiS])，它的破壞能力可近似認為是確定量，所以研究者最關心的是沖擊波
的破壞能力。目前，評價沖擊波強弱的常用指標為超壓△P，它是實測壓力與大氣壓之
間的壓力差，本文所指的爆燃強度即為“沖擊波超壓△P”。表1-2為沖擊波超壓可能
造成的破壞效果。
表1-2爆炸超壓對結構及人員的破壞作用口q
Table 1-2 Explosion overpressure effects Oil structure or people
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
1．2．3影響可燃氣云爆燃強度的因素
可燃氣云爆燃是一個復雜的物理化學過程，涉及到的影響因素眾多。其中主要的
影響因素有：可燃氣云的特性、周圍環境、天氣情況、以及點火源特性等。
1．2．3．1可燃氣云特性
可燃氣體泄漏到大氣中，與空氣混合形成可燃氣云。可燃氣云的性質不僅影響氣
云爆燃的強度，而且與氣云的點火難易程度有關。影響可燃氣云性質主要有以下幾個
因素。
(1)形成氣云的可燃氣體種類
可燃氣云爆燃的可能性及后果在很大程度上取決于可燃氣體種類。在相同的外界
環境中，不同種類的可燃氣云爆燃強度不同，主要是因為可燃氣體的活性不同。可燃
氣體反應活性越強，分子擴散快，則它爆燃產生的火焰速度和超壓值越高，產生爆轟
的可能性也越大。一般按反應活性高低，把可燃氣體分為三類，見表1-3。
表1-3可燃氣體按照反應活性分類‘1翔
Table 1-3 Reaction activity offlammable gas
可燃氣體密度雖然不影響氣云爆燃強度，但對可燃氣云的形成有重要影響。密度
相對于空氣小的可燃氣體在空氣中將向上漂移，不會在地面上形成很大的氣云，這能
夠減小近地面物體所受爆燃的危害；密度較大的可燃氣體泄漏時貼著地面運動，可進
入隧道、地下溝槽及其他一些受到限制的區域，這有利于在地面上形成體積較大的氣
云，潛在的危害就比較大【l】。
在預測可燃氣云爆燃危害時，需要綜合考慮可燃氣體的反應活性和密度。例如，
氫氣的密度很小，形成的氣云也很小，但是它的反應活性很大，爆燃時在某些區域形
成的局部壓力很大，極易產生爆轟，所以其危害也很大。
(2)可燃氣體的濃度【lj
預混氣云只有可燃氣體濃度適當(在上、下可燃極限之間)時才能被引爆。可燃
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氣體含量越接近上、下可燃極限，燃燒速度越低，爆燃強度越低。在密閉容器中，當
可燃氣體以上、下可燃極限的比例與空氣混合并且引爆，此時產生的壓力是初始壓力
的扣5倍；當可燃氣體與空氣以化學計算濃度配比引爆時，產生的壓力可達初始壓力
的7~8倍。
可燃氣體和空氣混合物的燃燒速度和放熱量均隨濃度而變化。化學計量濃度的
1．1～1．5倍為最危險濃度，其燃燒速度及相應的爆燃反應熱也將達到極大值，在此濃度
下，爆燃強度最高，破壞效應最嚴重。
(3)可燃氣云的均勻度川
可燃氣體在高壓下發生泄漏通常形成不均勻的預混氣云，爆燃所產生的超壓要小
于以化學計量配比混合形成的均勻氣云爆燃時的情況。預混氣云的均勻度通常受到泄
漏氣體噴射的方向、速度，氣云的積存時間，可燃氣與空氣的密度差等因素的影響。
(4)氣云的尺寸[1】
一般情況下，可燃氣云尺寸越大，爆燃強度越高，但二者之間并不呈明顯的正比
例關系[27J281。絕對尺寸相差較大的小尺寸和大尺寸氣云，爆燃模式及燃燒具體情況有
較大差別，使得整個爆燃過程不具有相似性，所以它們不能夠用尺寸縮放法來相互預
測，存在障礙物的情況下尤其如此。
1．2．3．2周圍環境對爆燃的影響
(1)地形條件的影響[11
地形條件對氣云爆燃影響很大。例如在山洼處，可燃氣泄漏時可燃氣云發生積聚，
容易形成體積較大的氣云。爆燃過程中，產生的沖擊波受到周圍山體的反射，強度也
會升高。
在可燃氣體泄漏點附近，如果存在隧道、溝槽等地形情況，可燃氣體進入這些區
域并形成氣云。如果在其內部點火，會產生較高的超壓。爆燃波傳播到地面引發二次
爆燃，這樣的爆燃強度要高于直接在地面點火時的情形。
(2)約束物與障礙物對爆燃強度的影響【1】
約束物(confinement)是指在氣云邊界，把氣云限制成一定體積和形狀的物體。
如果可燃氣體的泄漏發生在室內，墻壁就是約束物；如果泄漏發生在室外，比較高大
的建筑物，或是附近的山體就可能是約束物。
14
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
障礙物(obstruction)是指在氣云內部，在爆燃過程中火焰波會與其發生碰撞，并
最終能夠越過的物體。
如果可燃氣云在有外部約束的區域形成，則爆燃產生的超壓上升，潛在的危害就
要增大。氣云所受的外界約束越多、越大、越復雜，爆燃產生的超壓就越高。在其他
條件相同的情況下，一維傳播的可燃氣云爆燃所產生的超壓最高，二維傳播時次之，
而三維傳播時最低。因此，管內氣云爆燃超壓最高，兩平板之間氣云爆燃超壓次之，
球形氣云爆燃超壓最小129】。
可燃氣云爆燃時，在火焰到達障礙物之前，未燃混合物的平移流動就建立了速度
梯度場和圍繞障礙物的伴隨流場：火焰到達障礙物后，隨著火焰沿速度梯度場的聚匯，
火焰表面被迅速拉伸，在尾跡流中剪切層使局部燃燒速度得到相當程度的增大。而隨
著火焰陣面在速度梯度場中傳播，整個火焰陣面發生“伸長和折疊”。火焰的變形將
在一個較大表面上消耗可燃氣體和氧氣，導致熱釋放率增加，燃燒速度增加：較高的
燃燒速度又導致了火焰前面未燃混合物有較大的平移速度，引起速度梯度的進一步增
大，導致了更強烈的火焰伸長和折疊，進而又使燃燒速度增加，從而使爆燃強度提高。
這被稱為氣體流動與燃燒過程之間的正反饋機理[30’31]。圖1-3為這種機理的示意圖。
點火引爆
J 火焰層流膨脹
i未燃氣流在固壁界面形成剪切和速度梯度J
未未燃燃混混合合物物平平移移流動流戔bb ff 燃燒速度提高
速度梯度場和繞障礙物的伴隨流場建立熱釋放率增加
+ t
火焰陣面伸長、折疊卜-—啦較大表面上消耗可燃氣體和氧氣
圖1-3氣體流動與燃燒過程之間的正反饋機理方框圖
Fig 1-3 Diagram ofpositive feedback between gas flow and combustion
1．2．3．3天氣情況的影響【1]
天氣情況對可燃氣云的形成與爆燃強度都有較大影響。可燃氣體發生泄漏時，如
果風力較大則不易形成可燃氣云。氣云引爆后，如果遇到雨、雪、霧等天氣，空氣中
大連理工大學博士學位論文
濕度較大，水汽蒸發吸收大量熱量，使火焰溫度降低，降低爆燃強度，甚至使火焰完
全熄滅。
可燃氣體在大氣中擴散形成氣云，大氣溫度越高，可燃氣體與大氣之間的擴散越
快，越有利于可燃氣云的形成和加速均勻化。溫度越高，氣云初始能量越大，越有利
于點火和產生大的超壓。Phylaktou通過實驗證實，三種碳氫化合物(Cz地，C3H8，CIG)
與空氣的混合物燃燒，火焰速度D，隨初始溫度而的升高而增加。它們之間的關系大致
是：D，一臂，m在1．5以之間[32】。歐共體進行的MERGE項目，采用實驗分析的方
法，確定了火焰速度和超壓之間的關系[33]。
1．2．3．4點火能量、點火位置的影響[1】
工業現場存在的靜電，電閘跳電、電機起動引起的火花，以及高溫物體表面都可
作為點火源引發氣云爆燃。這種工業現場存在的點火源被稱為弱點火源剛，點火能量
一般小于100ruff。相對應，雷管等強點火源，點火能量一般大于103J。
點火能量對可燃氣云爆燃有重要影響[35川】。采用弱點火源時，可燃氣云爆炸只能
發生爆燃，超壓在kPa量級。而采用強點火源(如高能炸藥)點火時，則有可能直接
引發爆轟，超壓可達MPa量級。這主要用于軍事目的，己超出工業可燃氣云爆燃災害
研究范疇。
點火位置不同可以引起爆燃超壓數量級的變化。在可燃氣云中心點火，爆燃超壓
要高于在氣云邊緣處點火；在局部受約束區域(如一端開口的容器)，在容器內部點火，
超壓要高于開口處點火。
1_3可燃氣云爆燃強度的實驗研究方法
可燃氣云爆燃強度研究中，實驗是最早采用的方法。本節把實驗研究分為四類，
分別進行評述。
1．3．1內部無障礙物的可燃氣云爆燃實驗
這類實驗最早見于1965年，Thomas[38】在肥皂泡中充入乙烯與空氣混合氣，進行
了小規模實驗。這種方法可以忽略約束物對實驗結果的影響，但得到的氣云直徑較小，
只有幾厘米到幾十厘米。后來，人們以聚乙烯薄膜代替肥皂泡，并經Lind和Whiston[39】
16
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
的實驗證實，薄膜的存在未對爆燃火焰的傳播產生較大影響，由此該方法得以推廣，
實驗規模也得以擴大[40--42]。
畢明樹等【43塒1進行了可燃氣濃度均勻分布的半球形可燃氣云爆燃實驗研究，可燃
氣體為7．75％的乙炔，氣云半徑為0．3～i．5m。研究發現，氣云爆燃超壓與氣云初始半
徑的平方(體積的2，3次方)成正比，與離開爆源中心的距離成反比，即
p：彳籃
，
對按化學計量配比的乙炔與空氣預混氣云，A=0．0312。氣云爆燃的最大超壓發生在約2
倍氣云初始半徑處。
羅正鴻[48]進行了可燃氣濃度均勻分布的圓柱形可燃氣云爆燃實驗研究，可燃氣體
為7．75％的乙炔，氣云體積為O．26m3。通過實驗考察氣云形狀因子(高徑比)對爆燃
強度的影響。實驗發現，氣云爆燃超壓與氣云形狀有關，半球形氣云爆燃超壓最高，
圓柱形氣云爆燃超壓隨著形狀因子的增大而升高。
圓柱形氣云與半球形氣云相比，由于在幾何上已不具備中心對稱的特點，所以在
爆燃時流場變化也更加復雜。受到實驗條件的限制，羅正鴻的實驗中僅測量了氣云外
兩點超壓值。針對此不足，本文第4章將采用數值模擬的方法對整個爆流場的變化過
程進行模擬。
孫博㈣、畢明樹【50j11等對氣云外部平板對沖擊波的加強作用進行了實驗研究。可燃
氣云半徑為0．5m，可燃氣體為7．75％的乙炔。氣云外布置平板形障礙物，平板距球心的
距離分別為0．57m和lm，平板的布置分為單板、雙板垂直、雙板平行、3板槽形和4板口
形放置5種方式。研究發現，障礙物對沖擊
波有加強作用。平板數量越多或平板之間越
緊湊，超壓越高。當平板位于火焰擴展最外
邊界之內時，會引起火焰變形，增加火焰擾
動速度，從而大幅度增加爆燃越壓。
上述實驗均采用預混氣云，氣云內部可
燃氣體分布均勻。此外，羅正鴻[52l進行了非
預混可燃氣云爆燃實驗。實驗分為兩類，一
類采用自由擴散氣云，即把氣云用聚乙烯薄
圖14實驗裝置布置圖(強制擴散)
Fig．1_4 Schematic diagram ofexperiment
rig(forced leaking)
大連理工大學博士學位論文
膜約束成半球形，在實驗前把薄膜破壞掉，延遲一定時間后點火；第二類是采用強制
擴散形成非均勻分布氣云，氣云形成裝置見圖1-4。研究發現，無論自然擴散還是強制
擴散，氣云濃度都很難接近化學計量比濃度，爆燃強度明顯降低。
1．3．2局部約束或有障礙物的可燃氣云爆燃實驗
可燃氣云爆燃時，如果氣云局部受到約束或內部存在障礙物，爆燃強度都會得到
加強。在可燃氣體泄漏點附近，常常存在的管道、裝置、設備、建筑物等，使這種情
況發生具有現實必然，A[53,541。
(1)Harrison and Eyre實驗[55j6】
Harrison and Eyre實驗裝置見圖1-5，為～楔形結構，兩側是高十米的圍墻，前、
后及上部用聚乙烯薄膜封閉。氣云內部設有由中315ram管子組成的排管型障礙物，可
燃氣體選用天然氣，點火源設在氣云寬度較窄的一側，壓力傳感器與火焰探測器置于
地面上。實驗研究了排管的空間占有率與排管間距對氣云爆燃的影響。實驗研究發現，
最高火焰速度超過100rrgs，最大超壓超過20kPa。
(2)MERGE實驗舊
圖1-5 Harrison andEyre實驗示意圖
Fig．I一5 Experimentalrig asusedbyHarrisonandEyre
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
MERGE(Modeling and Experimental Research into Gas Explosions)是歐共體資助
由七家科研單位共同承擔的一個大型項目。它由若干個實驗與數值模擬子項目組成。
MERGE項目中的實驗裝置為框架陣列式結構，由三個正交方向的圓柱形管道組
成，如圖1-6所示。根據框架大小，實驗分為大、中、小三類，尺寸分別為8x8x8m3、
4x4x2m3、1．8x1．8xO．9m3，它們之間比例約為4．5：2．25：l。實驗中，點火源置于障礙
物中心位置，采用多種可燃氣體進行了研究。
崮1-6 MERGE實驗裝置不意圖
Fig．1·6 Regularly spaced gnds aS used in the MEERGE experimental program
(3)DISCOE實驗[58,591
Van Wingerden對工廠內部障礙物進行分析，認為排管、蒸餾柱、平臺這類結構比
較常見，并且通常在兩個平行表面之間。因此，在對現場情況進行理想化處理基礎上，
設計了如圖1—7所示的實驗裝置。即在兩個平板之間，豎直排列著管徑0．08米的圓管，
這些圓管分布在不同的同心圓上。平板尺寸分別為4x4In2、4x2m2。實驗研究了可燃氣
體活性、點火位置、障礙物堵塞率、圓管間距等對爆燃的影響。在乙烯一空氣的爆燃實
驗中，得出如下結論：在恒定的間距P下，火焰速度隨ABR(障礙物面積堵塞率)增
大而增大，當ABR=O．5和P=3D時火焰速度能達到800rrds；當ABR不變時，火焰速度
隨著圓管間距的增大而增大。
通過上述實驗可以發現，當氣云內部存在障礙物時，可極大地增強氣云爆燃強度。
上述幾個實驗，障礙物雖然各不相同，但也具有共性，就是都可以用幾個簡單的特性
參數來描述，即障礙物尺寸、面積堵塞率、單管直徑等。
大連理工大學博士學位論文
乎季蠹潞三。。
O O O O(嚳婺妻昌昌nO。0n0
圖1—7 D[SCOE實驗裝置示意圖
Fig．1—7 Obstacle configuration as used in the DISCOE expe6_mental program
I．3．3火焰加速機理的實驗研究
上述可燃氣云爆燃實驗，需要特定的實驗場地，危險性也較大，無法在普通的實
驗室內進行。因此，有些研究者進行容器或管道內部預混可燃氣體爆燃實驗，研究障
礙物對火焰的加速機理，希望通過這種比較小型的實驗室研究，得到有意義的規律或
結論，繼而推廣到可燃氣云爆燃強度研究中。
Fairweather[60,6u實驗研究了圓管內環形障礙物對燃燒速度的影響。采用火焰成像技
術發現，火焰波陣面通過后，障礙環后殘留的未反應的混合氣體發生劇烈反應，大大
增加了火焰陣面面積。Sakthitharan【62]進行了類似實驗，并測定了速度場及組分濃度場
的分布。
Masfi等人[63,64]設計了一套圓筒形實驗設置，在內部放置不同尺寸、不同形狀的障
礙物，研究障礙物對火焰形狀及爆燃超壓的影響。障礙物形狀包括圓柱形、三角形、
方形、菱形和平板形，阻塞率從10％到75％。實驗發現： (1)障礙物對火焰初始發展
階段的影響不大，在火焰接近障礙物處的燃燒速度大約是基本燃燒速度的1．5倍；(2)
障礙物對火焰傳播的直接影響是火焰撞擊障礙物，間接影響是由障礙物產生阻力、并
加強湍流流動；(3)障礙物形狀不同，對火焰的加速效果也不相同。矩形橫截面障礙
物引起最大的火焰加速，而圓形橫截面障礙物引起的加速最小。
林柏泉[65-69]采用圖l書所示實驗系統進行了實驗研究，實驗腔體為長24m，截面
80 mm×80 mm的方管。在管內不同位置處分別放置平板障礙物或塑料膜片，研究這
些障礙物或約束物對預混可燃氣體爆燃強度的影響。
平
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
圖1-9所示為不同障礙物情況下，火焰速度與管道長徑比三／D之間的關系曲線。
可以看出，火焰傳播到長徑比L／D=50處時的火焰速度，沒有障礙物時為36m／s：2塊
障礙物時達到98m／s；4塊障礙物時達到120mJs；6塊障礙物時達到240m／s。充分說明
障礙物對火焰具有明顯的加速作用。障礙物對爆燃超壓的影響也與此相似，對于沖擊
波的傳播規律具有重要影響。當沒有無障礙物時，沖擊波的傳播曲線交化幅度平緩，
未出現沖擊波的突變截面，馬赫數M珞。時(4—11)
式中，％與U1分別是燃料濃度與該濃度對應的燃燒速度；Ymo與UI。分別是最危險濃度
和對應的基本燃燒速度#而％u與％L分別表示燃料爆燃的上、下限。
表4-I幾種典型可燃氣體參數值
Table 4-1Parameters oftypical flammable gases
4．1．6完全氣體混合關系式
可燃氣云爆燃過程中，反應物與產物均為混合氣體。在建立理論模型時，假設氣
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
體都滿足完全氣體的狀態方程，則由道爾頓定律可知，氣體混合物的總壓力等于各組
分的分壓之和，而總質量密度等于各組分質量濃度之和，即
P=Σp
由理想氣體的狀態方程有
pt=等
pRT
p 2’廠
P=ΣP
其中，形表示第i組合的分子量，w為平均分子量：
形=Σ彬E
上式中，K為i組分的濃度，用摩爾分數表示
z：盟：旦‘ N P
其中，M表示第i組分的摩爾數。總摩爾數Ⅳ等于
Ⅳ=ΣM
i=1
混合氣體的定壓比熱為：
o=ΣZ％
(4一t2)
(4-13)
(4—14)
(4—15)
f4—16)
(4—1 7)
(4—18)
4．2計算結果的實驗考核
根據第2章介紹的數值方法，編制了計算程序，對本章建立的數學模型進行了求
大連理工大學博士學位論文
解。為了驗證計算程序的準確性，本節將采用實驗數據對計算結果進行考核。
4．2．1超壓一時間曲線分析
可燃氣云爆燃過程中，爆燃流場
中的任一點的超壓都會歷經一個上升
一下降一再上升的過程。圖4．3中，b
曲線是氣云半徑為O．5米實驗中，距爆
心1．5米處壓力傳感器測得的壓力時間
曲線，曲線a為相應的數值計算結果。
通過對比二條曲線可以看出，二者
變化趨勢一致，并且在點火約60ms后
達到最大正超壓。說明本章的數值模擬
可以比較準確地預測出可燃氣云爆燃
過程中超壓的變化趨勢。
4．2．2實驗數據考核
采用第3章進行的實驗數據對計
算結果進行考核，計算二者間的相對偏
差。具體數據見附錄1中的表6、表7。
根據表7數據作圖4—4。
從表中可以看出，氣云半徑對爆燃
強度的影響，計算值與實驗數據之間最
大相對偏差為6．O％，平均偏差為2．1％。
可燃氣濃度對爆燃強度的影響，計算值
與實驗數據之間最大相對偏差為
5．3％，平均相對偏差為2．1％。說明兩
種不同情況中，計算值與實驗數據間都
吻合較好。
3
2
藿：
一1
-2
．3
．——a計異
一彝值
： ／j???一b實驗
-。／1．． 粵
i 50 n弘oo
： 蟛
恤
圖4．3壓力與時間變化曲線
F逗．4—3 The pressure-time histories Gurve
圖4_4不同濃度的計算與實驗超壓
Fig．4_4 Calculafional and experimental
overpressure against concentration
4．2．3討論
通過上面的分析可以看出，本文的數值計算能夠較好地模擬出超壓的變化趨勢，并
且計算超壓與實驗值吻合較好，證明了數值計算的有效性與準確性。因此，下面可以
"
o
"
：
”
。
¨
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
采用數值計算的方法，對實驗中無法測量的溫度、密度、可燃氣濃度、流場速度等參
數的變化情況進行模擬，并在此基礎上對氣云爆燃的機理進行探討。
4．3可燃氣云爆燃的流場變化規律分析
數值模擬方法與實驗方法相比，優勢在于可以模擬出流場參數在任意時間、任意
位置的分布。將對可燃氣云爆燃過程中流場參數的變化規律進行簡要的分析，為可燃
氣云爆燃機理的探討打下基礎。
本文求解的流場參數包括：流場速度U(速度分量分別為Ur、U。)，氣體狀態參數
P、p、L燃燒速率Rfil，各類氣體濃度(包括％、Y02、YN2、yc02、Ymo)。為表述方
便，本節選取了流場速度U，氣體狀態參數P、p、T，燃燒速率丑fu，可燃氣濃度％
六個量進行研究。
計算算例為：氣云半徑為lm，乙炔濃度13．30／0。
可燃氣云爆燃將歷經爆燃開始(引爆)、發展(火焰傳播過程)、結束(火焰熄滅)
三個過程。為此，選擇與上述三個過程相對應的三個時刻，即引燃(t=-lms)、火焰傳
播期間(t=30ms)、火焰即將熄滅(t=90ms)時的流場參數的分布情況進行研究。計算
結果作圖4-5，4-6，4-7。每個圖中含有六個子圖，子圖表示區域與幾何模型(圖4-2)
相對應，坐標原點對應氣云中心，橫、縱坐標表示空間位置(單位為m)，區域大小為
4mX4m。六個子圖中的色階圖分別表示對應時刻燃燒速率、流場速度、溫度、壓力、
密度、可燃氣濃度的空間分布。
在圖4．5中，子圖(f)為乙炔濃度分布圖，可以看出r≤lm范圍內，即氣云內部
乙炔濃度13．3％，氣云外部為0。此時刻反應已經開始，觀察子圖(a)至(e)，可以看
出，在氣云中心處已有火花生成，并且在火焰陣面前產生了向外的膨脹流動，火焰陣
面處溫度升高、壓力升高、密度降低。
圖4-6表示仁30ms時的流場參數的空間分布。可以看出，在火焰傳播過程中某一
時刻，在氣云內部僅有一個局部區域發生燃燒反應，晟高燃燒速率達到約7kg／mas(子
圖a)：膨脹流動此時己擴展到初始氣云外部，最高速度達到約20m／s(子圖b)；火焰
陣面后溫度升高，最高溫度達到約1800K(子圖c)；火焰陣面前的壓力升高，最高壓
力已達到104k．Pa(子圖d)；火焰陣面后密度下降，最低密度達到約O．4kg／m3(子圖e)；
已燃燒區域乙炔反應完全，密度降為零(子圖f)。
圖4．7中流場參數的空間分布規律與圖4-5相似。因為t=90ms時刻火焰即將熄滅
85
大連理工大學博士學位論文
所以也具有一些不同的特點。首先，燃燒速率降低，最高燃燒速率僅0．6kg／m3s，燃燒
反應已經很弱；此時刻火焰面的位置約在r=1．4m處，說明火焰已傳播到原始氣云半徑
外(子圖a)；而火焰面前的可燃氣體濃度很低，已經小于0．4％，說明乙炔已將近反應
完畢(子圖f)；火焰面后是一團高溫(約1800K，子圖c)、低密度(約0．4kg／m3，子
圖e)的燃燒產物的混合氣體：火焰陣面前的流場速度最高達到約70m／s(子圖b)，壓
力最高達到約104kPa(子圖d)，而火焰陣面后流場速度降為零(子圖b)。通過觀察還
可以發現，靠近地面處流場發生一定的變形，即是邊界層區域，將在本章4．5部分對
這個問題進行討論。
通過對上述三個時刻的流場參數變化規律的分析，可以得出以下結論。可燃氣云
爆燃過程中，火焰面由氣云中心向外傳播，火焰面前產生向外的膨脹流場。膨脹流場
像活塞一樣沖擊周圍大氣而誘導出同向傳播的沖擊波，導致火焰面前壓力上升。火焰
面后可燃氣體發生燃燒反應，放出熱量，導致溫度上升，密度下降。由于膨脹流動，
部分可燃氣體會傳播到初始氣云半徑外，因此火焰會越過氣云邊界一定位置才會熄滅。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
圖4—5 t=-lms時刻流場參數的空間分布
r／m
Fig．4—5 Space distribution offlow parameters when F1ms
87
人連理_T大學博士學位論文
r／m
圖4-6 t=30ms時刻流場參數的空間分布
Fig．4-6 Space distribution offlow parameters when t=-30ms
88
軸對稱約束條件下可燃氣E爆燃強度研究
圖4—7 t=-90ms時刻流場參數的空間分布
r／m
Fig．4—7 Space distribution offlow parameters when盧90111s
89
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4．4可燃氣云爆燃的機理探討
可燃氣云爆燃過程中，爆燃波由火焰面與沖擊波共同構成。本節將研究爆燃波的
構成情況以及火焰面與沖擊波的傳播規律。在此基礎上，對超壓的生成機理進行探討。
4．4．1爆燃波的構成分析
可燃氣云爆燃過程中，火焰面向外傳播，產生膨脹流場，后者向活塞一樣沖擊周
圍大氣從而誘導出沖擊波。本小節將確定爆燃開始后，任意一個時刻爆燃波的構成情
況。
首先，確定不同時刻火焰面的位置。從圖4-8為不同時刻燃燒速率沿空間的分布。
可以看出，在某一時刻，氣云內部存在一個燃燒區域。例如在tl=20ms時刻，燃燒反
應發生在FO加．4m的范圍內，在r=O．2m處燃燒速率達到最高值。因此，可認為tl=20ms
時刻，火焰面傳播到了r=O．2m位置。然后再確定不同時刻沖擊波的位置。沖擊波過后，
流場壓力升高。由于這個壓力變化僅是微小量的變化，因此沖擊波的位置很難確定。
為便于研究，本文把某一位置的壓力變化達到一個微小量(0．OlkPa)時，定義為沖擊
波到達該位置。為此，可得到不同時刻火焰面與沖擊波的到達位置，見圖4-9。
圖4-8不同時刻燃燒速率的空間分布
Fig．4—8 Space distribution ofcombustion rate at different time
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
圖4-9不同時刻爆燃波結構示意圖
Fig．4—9 Schematic diagram ofdeflagration wave at different time
圖4-9中，兩條曲線分別表示不同時刻沖擊波與火焰面到達位置，它們把爆燃流
場分為三個部分，即已燃區、已擾動區和未擾動區。圖中虛線A—_B—C—_D為t=-50ms
時刻流場結構。此時刻，火焰面到達了B點(產O．75m)，沖擊波到達了C點(嚴1．20m)
處。A點代表氣云中心，D代表沖擊波前的任意一點。那么，此時刻由A點至B點
(r--O～O．75m)為已燃區；由B點至C點(r=O．75～1．20m)為已擾動區；由C點至D
點(p1．20m)為未擾動區。
根據燃燒理論，在兩種可能沖擊波與火焰面會合二為一。一是火焰速度加大，逐
漸追趕上沖擊波，爆燃轉變為爆轟；二是火焰速度降低，燃燒產物能即時向后排放而
不生成沖擊波，從而爆燃衰減為定壓燃燒。從圖4-9可以看出，沖擊波與火焰面之間
的距離逐漸增大，說明可燃氣體濃度均勻分布的可燃氣云爆燃過程中，當不存在障礙
物時，爆燃不具有向爆轟轉變的趨勢，也不可能衰減為定壓燃燒。
4．4．2超壓生成機理探討
爆燃過程中，生成較高超壓的直接原因是能夠產生較強的沖擊波。根據自相似理
論，由于火焰的傳播而生成了同向傳播的膨脹流場，膨脹流場像活塞一樣沖擊周圍大
氣，從而產生沖擊波。因此，沖擊波的強度受到膨脹流場速度的影響，后者的速度越
高，越能誘導出較強的沖擊波。
圖4—10為爆燃過程中不同位置所能達到的最高火焰速度與最高流場速度示意圖。
q1
大連理工大學博士學位論文
圖中可以看出，氣云爆燃過程中最高火焰速度逐漸升高，由最初的Om／s升高到大
于20m／s。這是因為，半球形可燃氣云爆燃過程中，火焰面呈球形，隨著半徑，的增大，
火焰表面積也逐漸增大，單位時間內反應的可燃氣體量增多，從而引起火焰速度的升
高。同時也可以觀察到，流場速度也隨著火焰速度的升高而提高，說明火焰速度的加
快必然導致膨脹流場的加速。而根據自相似理論，膨脹流場的加速同樣會引起爆燃超
壓的升高。
因此，可燃氣體濃度呈均勻分布的可燃氣云爆燃，在爆燃過程中，隨著氣云半徑
的增大，火焰表面積逐漸增大，火焰速度升高，膨脹流場速度加大，從而使氣云爆燃
強度逐漸提高。
圖4．10不同位置最高火焰速度與流場速度示意圖
Fig．4—10 Schematic diagram ofmaximum velocity offlame and fluid field at di伍erent points
4．5地面、聚乙烯薄膜對可燃氣云爆燃影晌的數值模擬
可燃氣云爆燃事故中，可燃氣體在地面上發生積聚形成氣云，地面對爆燃流場的
變化規律與爆燃強度均有重要影響。另外，在第3章的實驗中采用聚乙烯薄膜作為約
束物來形成氣云，并且采用實驗的方法確定了薄膜厚度與層數對爆燃強度的影響。本
節將采用數值模擬的方法，來研究地面、聚乙烯薄膜對爆燃流場的影響規律，并對其
機理進行探討。
一{囂磺
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
4．5．1地面對可燃氣云爆燃影響的模擬
現有的可燃氣云爆燃模擬方法，如自相似法、能量加入法等，都是一維模擬，為
研究簡便，忽略了地面對爆燃過程的影響。本文進行了可燃氣云爆燃的二維數值模擬，
并把地面設成固壁無滑移的邊界條件而進行了研究。研究結果如下。
4．5．1．1地面對爆燃流場的影響規律
從圖4．5至4—7可以看出，爆燃過程中流場基本保持半球形，但在靠近地面處，由
于邊界層的存在，爆燃流場會發生變形。這在t=-90ms時刻，表現得尤其明顯。為進一
步研究，根據不同時刻的流場速度的空間分布作圖4—11。
圖4—11中，六個子圖分別表示t=lms至t=90ms等不同時刻流場速度的空間分布。
每個子圖的表示區域與圖4．4至4—6相同，區域面積為4mX4m。
從圖中可以看出，隨著爆燃過程的進行，流場速度也逐漸升高，由最初的4m／s上
升到約70m／s。同時也可發現，靠近地面處的流場變形逐漸明顯。為便于觀察，把圖
4—11中靠近地面處局部放大(即垂直方向上局部放大)，從而作圖4一12。
圖4．12中的表示區域變小，高度為0．4m，僅為圖4．11的10％。因此，可以比較
清楚地觀察到靠近地面處流場的變形情況。可以看出，在t=lms時爆燃剛剛開始，還
沒有發生流場的變形(子圖a)。t=20ms時刻，在靠近地面處產生一速度梯度，速度由
高至低逐漸降為零，即已有邊界層生成(子圖b)。而從子圖c至子圖f，隨著流場速度
的增大，邊界層也逐漸擴大，最后達到約0．1m。也就是說，該氣云爆燃邊界層最高為
O．1m，在邊界層內，由于地面的作用而引起流場的變形。而超過這個高度，即已脫離
邊界層，可認為地面對流場己基本沒有影響。
4．5．1．2討論
本文在進行研究中做了兩個基本假設，一是燃燒模式為層流，二是假設地面無限
光滑。由此得到結論，由于地面的影響，在靠近地面處存在較薄的區域，即邊界層。
在邊界層內流場發生輕微變形，存在著速度梯度，速度逐漸降為零。越過邊界層，可
忽略邊界層的影響。
而在現實中，地面不可能無限光滑。粗糙的地面會引起火焰的變形，從而引起燃
燒模式由層流向湍流的轉變。地面粗糙度越大，氣云半徑越大，火焰變形就越明顯。
這時層流燃燒模型已經不再適用。因此，本文進行的地面對爆燃流場影響的研究比較
大連理T大學博士學位論文
圖4—11不同時刻流場速度的空間分布
Fig．4-11 Space distribution ofvelocity offlow field at different time
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
r／m
圖4—12不同時刻流場速度的空間分布(放大圖)
Fig．4．12 Space distribution ofvelocity offlow field at different time(zoom in)
9S
大連理工大學博士學位論文
簡單，并且具有特定適用范圍(適用于地面非常光滑并且氣云半徑較小情況)。
地面對可燃氣云爆燃流場的影響非常復雜。由于地面的作用而引起火焰較大變形
時，會使火焰面積增大，從而使燃燒速度增加。此時，地面將對火焰起到加速的作用。
地面對火焰的加速機理，是一個非常復雜的研究課題。本文由于時間關系，僅在論文
限定的研究范圍內，進行了初步的研究與探討。
4．5．2弱約束物對可燃氣云爆燃影響的模擬
在生產現場，存在著門、窗，強度較低的墻壁等約束物，當發生爆燃時，隨著爆
燃超壓的升高，這些約束物會發生破裂，從而失去對火焰的約束作用，這類約束物統
稱為弱約束物。以聚乙烯薄膜為例，研究這類約束物對爆燃流場的影響規律。
4．5．2．1計算模型的改變
當氣云邊界存在聚乙烯薄膜時，可燃氣云爆燃過程將分為兩個階段。一是薄膜破
裂前，在氣云內部進行的爆燃過程類似于定容爆炸；二是薄膜破裂后，由于氣云內外
存在的壓力差，產生由內到外的流場，爆燃火焰會傳播到原始氣云外部。
這樣，數學模型中的邊界條件將發生如下改變(其它條件不變)：
(1)薄膜破裂前：在，=R 0處
“：o；_ap：o；孥：0；擎：0；
凹甜卯
(2)薄膜破裂后：r=m處
U=0；P=Po；T=兀；k=0
4．5．2．2計算結果實驗考核
第3章進行了薄膜厚度與層數對爆燃強度影響的實驗。為驗證數值模擬結果的準
確性，計算值與實驗值進行了比較，具體數據見附錄1(表8)。經計算，二者之間最
大相對偏差為14．8％，平均相對偏差4．7％。吻合較好，說明本文程序能夠比較準確地
模擬薄膜對可燃氣云爆燃強度的影響規律。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
4．5．2．3薄膜破裂前后爆燃流場變化分析
可燃氣云爆燃開始后，隨著爆燃過程的進行，氣云內部超壓逐漸升高，當薄膜所受
超壓超過它的強度時會發生破裂。為分析在薄膜破裂前后流場的變化情況，根據數值
計算結果，作圖表示流場參數在薄膜破裂前后的變化情況，見圖4．13。算例為：氣云
半徑為0．5m，乙炔濃度為13．3％，薄膜厚度為O．02mm。圖中，橫坐標為空間坐標，縱
0．0 0．5 1．0 1．5 2．0
r／m
(a) 薄膜破裂前
1·8}=廠＼ g(堡g魚：)
n F、／， ． ．
0．0 0．5 1．0 1．5 2．0
r／m
(b)薄膜破裂后
圖4．13薄膜破裂瞬間流場參數變化曲線
Fig．4—13 Variation ofparameters in flow field。at film breaking moment
坐標從下至上，依次為燃燒速率、流場速度、超壓、密度。
從圖(a)可以看出，在薄膜破裂前，火焰陣面傳播到氣云內部約O．3m處(Rfu圖)：
在火焰陣面前產生了向前的流動，但由于在流場前有薄膜的阻礙，因此速度很低，約
為2m／s(“圖)；而在氣云邊界r=0．5m處，受到薄膜的阻礙，造成氣體的堆積，因此
07
m
oM
04
07
o
大連理工大學博士學位論文
密度增加(p圖)，最高密度達到約1．8kg／m3；壓力上升，最高超壓達到約12kPa(p
圖)。
圖(b)中，薄膜發生破裂，由于氣云邊界處存在的壓力差，邊界處氣體向氣云外
流動，最高速度達到約20m／s(“圖)；氣云內部壓力、密度下降，而氣云外靠近邊界
處壓力和密度上升如、p圖)。
4．5．2．4討論
通過流場分析，可發現如下規律：在薄膜破裂前，邊界處堆積了密度、壓力較高的
氣體；薄膜強度越高，破裂的時間就越晚，堆積的氣體密度與壓力也就越高；薄膜破
裂時，氣云邊界內外壓差較大，在氣云邊界處產生附加沖擊波，引起氣云外壓力升高。
因此，薄膜強度越高，可燃氣云爆燃強度也就越高。同理，當薄膜層數增多時，在最
外一層的薄膜處，也容易堆積較高密度與壓力的氣體，因此，當最外層薄膜破裂時，
也容易形成強度較高的沖擊波，從而生成較高的超壓。
4．6氣云形狀對氣云爆燃強度的影響?圓柱形可燃氣云爆燃的數值模擬
本章前面部分研究的半球形可燃氣云是一種理想化的氣云模型，在實際爆燃事故
中不可能遇到。而當氣云形狀發生變化，即使可燃氣云的體積與可燃氣體濃度不變，
爆燃流場與爆燃強度也會發生變化，因此有必要進行氣云形狀對爆燃影響的研究。
羅正鴻(32】采用實驗的方法，以圓柱形可燃氣云為例，研究了氣云形狀對爆燃超壓
的影響情況。因為實驗條件的限制，只測量了氣云外兩個點的超壓，這樣無法描述壓
力場的變化情況，更無法對整個爆燃流場進行深入的探討。因此，在他的實驗基礎上，
本節將采用數值模擬方法，也以圓柱形氣云爆燃為例，來研究氣云形狀對爆燃流場與
爆燃強度的影響規律。
具體研究過程為：首先建立描述圓柱形氣云爆燃的數學模型，并采用第2章介紹
的數值方法進行求解，計算值與第3章介紹的實驗結果相比較，驗證計算結果的準確
性。然后，對爆燃流場進行分析，找出爆燃場中最危險區域，分析爆燃場的發生、發
展規律。
軸對稱約束齋件下可燃氣云爆燃強度研究
4．6．1理論模型
4．6．1．1幾何模型
本文研究圓柱形(餅形)氣云示意圖為
4．14。以氣云中心為坐標原點，做圓柱形氣
云的剖面圖，建立幾何模型，如圖4．15。
圖中可以看出，原始氣云半徑R=乞，
氣云高h=lob，定義氣云高徑比為形狀因子，
s=h／Ro。
4．6．1．2物理模型
圖4．14圓柱形氣云示意圖
Fig．4-14 Figure ofcylinder cloud
圓柱形氣云爆燃與半球形氣云爆燃相
比較，物理一化學過程的本質相同，建立
半球形氣云爆燃時的前提假設與簡化，在
b
此處也仍然適用。因此，物理模型在此處
不在贅述，見本文4．1．2部分。
4．6．1．3數學模型
按照上述幾何模型與物理模型，采用
柱坐標建立如下數學模型(數學模型的推
a r
圖4—15圓柱形氣云幾何模型
Fig．4—15 geometric model ofcylinder cloud
導過程參照附錄2半球形數學模型的推導過程，本文略)：
連續方程：
害+手墮罨掣+魯(肼：)=。al r 靜az?t
動量方程：
(4—19)
大連理工大學博士學位論文
能量方程：
組分方程
掣：掣+掣一弘旦(辟cnr)Or ar、
㈣。， 西a， 瑟甜r I 7 ?．、
+曇(哮] 一
必+旦㈦：一望+!旦f緲絲] 鐘Or az r Orl。瑟J
+丟(哮]
(4-21)
挈七等M掣旦．O．他LC．竺a．jL m：，
旦a。fL生c．竺a：j1+‰g
掣t警型。3r+坐掣=*掣]+ 件：。，
甜， 昆r a，I 丹J ．
珈掣h 一
式中，D J，、坼、‰r、％分別代表壓力、密度、r方向速度、Z方向速度、絕對溫
度和燃料濃度；掣、／【、D分別為動力粘度、導熱系數和擴散系數；月缸為反應速度，
由燃燒模型計算，g為燃燒熱。
4．6．1．4初、邊值條件
見本章4．1．4部分。
4．6．1．S燃燒模型
見本章4．1．5部分。
100
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
4．6．1．6理想氣體混合關系式
見本章4．1．6部分。
4．6．2計算結果實驗考核
為驗證計算程序的準確性，計算結果與第3章的實驗數據進行對比，見附錄1(表
9)。經過計算，二者間最大相對偏差為18．3％，平均相對偏差為5．4％，基本吻合。
4．6．3計算結果與討論
4．6．3．1爆燃流場變化規律探討
算例為：圓柱形氣云，半徑O．75m，高0．15m。即氣云體積為O．26m3，氣云形狀因
子占=0．2。乙炔濃度ym=7．75％，即化學計量比濃度。
計算區域選取：7．5m×1．5m。
根據計算結果，選取1、20、40、60、80、100、120ms七個時刻流場參數值作圖
4—16。圖中，橫、縱坐標表示空間位置，六個子圖中云圖分別表示流場速度、密度、
壓力、溫度、乙炔濃度、燃燒速率。
t=lms時刻，觀察可燃氣體濃度圖，可以看出氣云的剖面形狀?矩形。氣云內部乙
炔濃度為7．75％，氣云外等于0。氣云中心處，乙炔濃度略有下降，說明爆燃反應已經
開始，部分乙炔被消耗。其它參數，如溫度、壓力、密度、速度，在氣云中心處產生
微小量的變化。
從圖中可以看出，爆燃分為兩個階段。t=l--,60ms為第一階段，火焰由氣云中心向
外傳播，基本保持球面形狀，溫度、壓力、密度、速度等參數也基本保持球形對稱；t>60ms
為第二階段，此時火焰最高處已達到氣云上邊界處，因此火焰面只能保持不完整半球
形狀向外傳播，溫度、壓力、密度、速度等參數也無法保持球形對稱，即靠近地面處
數值較高，越遠離地面，這些參數數值越低。
大連理工大學博士學位論文
102
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
103
大連理工大學博士學位論文
104
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
圖4．16不同時刻流場參數的空間分布
Fig．4—16 Space distribution offlow parameters at different time
4．6．3．2爆燃流場不對稱分析
圓柱形氣云爆燃流場己不具有球對稱的性質，也就是說，即使與爆心距離相同，
但與地面夾角不同，爆燃強度也會不同。仍采用上面的算例，對這種流場不對稱性進
行研究，并找出最危險區域。
設測點到爆心的距離為d，與地面夾角為0。d研究范圍O-2m，目值為0、Ⅱ／6、
Ⅱ／3、Ⅱ／2。根據計算結果，作圖4一17。
從圖中可以看出，地面處爆燃強度(0．62kPa)最高，氣云軸心處(O．14kPa)最低，
前者是后者的4．4倍。由第三章可以得知，半球形氣云爆燃最大超壓點在原始氣云半徑
約1_8倍處。圓柱形氣云地面處最大超壓點出現在約1．5m處，即氣云半徑的2倍處，
與半球形氣云類似。隨著與地面夾角的增大，出現最大超壓點的距離也逐漸減小，氣
大連理工大學博士學位論文
云軸心處出現在距離爆心O．8m處。
以上說明，在圓柱形氣云爆燃時，靠近地面處為最危險區域，因此應該特別做好
防護措施。
0．5
O·4
d o．3
里
札
q
0．2
0．1
0
0 1
d／m
圖4—17最大超壓隨距離變化曲線
Fig．4—17 Maxinlum ovcrprcsstn'e against distance
2
4．6．3．3氣云形狀因子￡對爆燃強度的影響
因為靠近地面處爆燃強度最高，所以測點與地面的夾角口取為0，來討論氣云形狀
因子e對爆燃強度的影響。根據計算結果作圖4—18。
由圖可見，因為形狀因子e不同，所以氣云爆燃時最大超壓發生點也不同。隨著
e的增大，氣云半徑減小，發生最大超壓點的距離也減小。經過分析，最大超壓點都
發生在大約2倍氣云半徑處。
圖4—19是最大超壓隨形狀因子e的變化曲線。圖中曲線可以分成兩部分，一部分
是e<0．4時，最大超壓隨著e的增大，而快速升高；第二部分e>o．4時，最大超壓隨
著e的增大也有升高趨勢，但上升速度較慢。當￡=1時，最大超壓(O．84kPa)是
塑翌塑竺塞墨壁工旦整墨墨壁塑塑壅里窒
0．8
d 0．6
星
龜
司O．4
0．2
0
0 0．5 1 1．5 2
，／m
圖4—18最大超壓隨距離變化曲線
Fig．4—18 Maxi刪】m OVel=pressllre against distance
l
O．8
重n6
拿o．4
0·2
O
0．1 0．3 0．5 0．7 0．9
圖4．19最大超壓隨形狀因子變化益線
Fig．4—19 Maximum overpressure against parameter ofform
107
大連理工大學博士學位論文
e=O．1時(O．27kPa)的3．1倍，可見形狀因子e對氣云爆燃的強度具有重要的影響作
用。
4．6．3．4氣云形狀因子e對爆燃強度影響的機理分析
形狀因子s對氣云爆燃強度具有重要的影響。對于相同體積的可燃氣云，如果它
的可燃氣體種類、濃度相同，則所含的化學能也就相同。爆燃強度則與能量釋放速率
有關，釋能速率高，爆燃強度則高。而釋能速率與燃燒速率以及燃燒時間相關，燃燒
速率越高則燃燒時間越短，釋能速率越高，爆燃強度就越高。
設燃燒速率小于O．Olkg／(m3曲時，燃燒過程結束。則根據不同形狀因子e時，燃燒
時間作圖4—20。
可以看出，形狀因子￡不同，燃燒時間也不相同。隨著e的增大，燃燒時間逐漸
變少。當s--0．1時所用燃燒時間(150ms)是￡=1時所用時間(92ms)的1．6倍。形
狀因子越小，燃燒時間越長，釋能速率越慢，因此爆燃強度就越低。
150
130
喜Ⅲ
90
70
0．1 0．3 0．5 o．7 0．9
圖4。20燃燒時間隨形狀因子變化曲線
Fig．4-20 Combustion time against parameter ofcloud
4．7工業大尺寸氣云爆燃強度預測
在工業生產過程，可引發爆燃事故的易燃、易爆氣體很多。甲烷、乙烯、乙炔是最
108
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
常見的三種氣體，其活性由低到高各不相同。因此，本文選擇了這三種氣云進行了爆
燃強度預測。三種氣體的爆燃參數見表4．2。
圖4-21是燃料在最危險濃度下，三種氣云爆燃最大超壓隨氣云半徑變化曲線。可
見，氣云爆燃威力與燃料活性有關，乙炔的活性最高，爆燃超壓最高，乙烯次之，甲
烷最低。當氣云半徑80米時，乙炔氣云爆燃可以產生約77Pa的超壓，而同樣尺寸的
甲烷氣云爆燃，只能產生約35kPa的超壓，前者是后者的2．2倍。
表4_2可燃氣體的爆燃參數[51
Table 4-2 Deflagrationparameters offlammable gas
40 60 80
R加
圖4五l最大超壓隨氣云半徑變化曲線
Fig。4-21 Maxinlum oveTpressure against cloud radii
圖4．22是當氣云半徑為80米，改變燃料濃度，三種氣云爆燃產生的最大超壓。可
見，隨著燃料偏離最危險濃度，爆燃超壓逐漸下降，并且下降速度與爆燃界限有關，
大連理工大學博士學位論文
界限最小，下降速度最快，反之亦然。
本文1．2．2部分(表1-2)論述了爆燃超壓的破壞效應。可見，上述最危險濃度下
半徑為80米的三種氣云均具有較強的破壞能力，乙炔／空氣氣云爆燃甚至具有使鋼筋混
凝土建筑完全毀壞的能力。而當濃度偏離最危險濃度時，爆燃強度明顯降低。
4．8小結
圖4．22最大超壓隨濃度變化曲線
Fig．4-22 Maximum overpressurc against cloud concentFadon
本章采用數值模擬的方法，對可燃氣體濃度呈均勻分布的可燃氣云爆燃過程進行
了研究。具體內容與結論有：
(1)采用Baldce—Hjetfager燃燒模型、結合流體力學控制方程組、組分方程，建立
了描述半球形可燃氣云爆燃的二維數學模型，并采用第2章介紹的數值方法進行求解。
計算結果經過與實驗數據相比較，證實該數學模型能夠較好地反映可燃氣云爆燃的物
理化學過程。
(2)通過對爆燃流場變化規律的研究，得到以下結論：可燃氣云爆燃過程中，爆
燃波由沖擊波與火焰面共同組成，可燃氣體濃度均勻分布的可燃氣云，爆燃過程中沖
擊波與火焰面之間距離逐漸增大，說明爆燃不具有向爆轟轉變的趨勢，也不可能衰減
為定壓燃燒；氣云爆燃過程中，隨著氣云半徑的增大，火焰表面積逐漸增大，火焰速
110
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
度升高，膨脹流場速度加大，從而使氣云爆燃強度逐漸提高；當氣云半徑足夠大時，
爆燃過程也能產生較大破壞力的超壓；爆燃超壓受到可燃氣體活性的影響，同樣體積
的可燃氣云，由于可燃氣體活性的不同，造成的破壞效果相差很大。
(3)進行了地面對氣云爆燃流場影響的研究。發現在本文研究范圍內，由于地面
的影響，在爆燃過程中靠近地面處產生～個較薄的邊界層，在邊界層內流場發生變形，
而超過這個區域，地面對流場的影響則可忽略不計。
(4)進行了聚乙烯薄膜對爆燃流場影響的研究。通過流場分析，可發現如下規律：
在薄膜破裂前，邊界處堆積了密度、壓力較高的氣體；薄膜強度越高，破裂的時間越
晚，堆積的氣體密度與壓力也就越高；薄膜破裂時，氣云邊界內外壓差越大，產生的
沖擊波強度越高，越能產生較高的超壓。
(5)以圓柱形可燃氣云為例，采用數值模擬方法，研究了氣云形狀對爆燃流場與
爆燃強度的影響規律。首先，建立了描述圓柱形可燃氣云爆燃的數學模型，采用第3
章介紹的數值方法進行求解，并采用實驗數據對數值結果進行了檢驗。然后，對爆燃
流場的變化規律進行了研究。研究發現，圓柱形氣云爆燃過程中，爆燃流場無法始終
保持球形對稱，靠近地面處為最危險區域；氣云的高徑比越小(即形狀因子e越小)，
氣云內部可燃氣體完全反應所需要的時間越長，能量的釋放速率就越低，因此爆燃強
度也就越低。
(6)對工業大尺寸可燃氣云爆燃強度進行了預測。結果表明，處于最危險濃度下
的大尺寸氣云爆燃具有較強的破壞力，例如半徑為80米乙炔／空氣氣云爆燃甚至具有使
鋼筋混凝土建筑完全毀壞的能力。而當濃度偏離最危險濃度時，爆燃強度明顯降低。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
5高斯分布可燃氣云爆燃的數值模擬
第4章對可燃氣體均勻分布的可燃氣云爆燃進行了數值模擬，經實驗結果考核，
證實模擬結果與實驗值基本吻合。本章將在此基礎上，以簡化的高斯分布氣云爆燃為
例，對非均勻分布氣云爆燃進行模擬。
5．1高斯分布可燃氣云的形成
5．1．1影響可燃氣云形成的因素
可燃氣體泄漏到大氣中通過擴散形成可燃氣云，是一個非常復雜的過程，涉及到
氣體動力學、氣象學、熱力學等學科。影響氣云形成的因素很多，如泄漏狀態(包括
泄漏速率、泄漏物狀態、泄漏口徑、泄漏時間等)，泄漏處的環境因素(如氣溫、大氣
穩定度、風速、風向、大氣濕度等)。
泄漏狀態是指氣體或液體在泄漏時的物質相態和泄漏條件。其中泄漏物質相態有
氣態、液態、氣液共存三種形式。當泄漏物在容器中存儲方式為氣體，其泄漏形式為
氣態，如煤氣管道或儲罐的泄漏：泄漏物為液相存在時，它在擴散過程中從外界環境
吸收熱量，不斷汽化，有相變發生，如液化石油氣、氨等的泄漏。一般來說，液體的
泄漏比氣體泄漏更危險，因為液化泄漏的量較大，而且氣云持續時間較長。
泄漏條件包括泄漏速率、泄漏口徑、泄放時間等。這三種因素對擴散的影響很大。
泄漏速率直接影響著擴散過程，泄漏速率大，氣體擴散得就遠，形成的氣云半徑就大；
泄漏口徑大，同樣條件下泄漏速率就大；泄漏時間長，氣云持續時間就長。
影響氣云形成的環境因素很多，其中以大氣穩定度與地面風的影響最為顯著。
氣體在大氣中的擴散與大氣穩定度有密切關系，大氣穩定度指在垂直方向上大氣
穩定的程度，即大氣是否易于發生對流。凡是對氣團的升降運動起促進作用的大氣為
不穩定大氣；反之，對氣團運動起抑制作用的大氣為穩定大氣。穩定大氣不利于氣體
的擴散，使氣體擴散范圍較小，氣云內部濃度梯度較大；不穩定大氣有利于氣體的擴
散，使氣體的擴散范圍較大，氣云內部濃度梯度較小。
地面風對氣體擴散有著重大的影響。當風速較大時，泄漏氣體的擴散距離更遠，
易形成濃度梯度較小的氣云；當風速較小時，泄漏氣體的擴散距離變小，易形成濃度
梯度較高的氣云。
大連理工大學博士學位論文
總之，可燃氣云的形成是一個非常復雜的過程，對它進行深入研究超出了本文研
究的范疇。本章將直接采用前人的研究成果，對簡化的高斯分布可燃氣云進行模擬。
5．1．2高斯分布模型介紹(Gaussian model)[1031
高斯分布模型建立時間較早，出現于上世紀五、六十年代，適用于點源的擴散。
它作如下假設。
1，定常態，即所有的變量不隨時間變化；
2．適用于密度與空氣密度相差不多的氣體擴散(不考慮重力或浮力的作用)，且
在擴散過程中氣體不發生化學反應；
3．擴散氣體的性質與空氣相同；
4．擴散氣體到達地面后，沒有任何吸收；
5．坐標系的x軸與流動方向重合，氣云的橫向速度分量v，垂直速度分量w均為
6．假定地面為水平。
那么，氣云內部的可燃氣體濃度分布為：
c=彘唧№]2]t{唧HI(z吒-月r，12H42L剖o-：)])侉·，
式中：
C：可燃氣體的濃度；
Q：泄漏源的泄漏速率，墮；
H：泄漏源高度，m；
仃，，吒：橫風向和豎直方向的系數，m。
5．1_3簡化高斯分布模型
為計算簡便，對高斯模型作如下簡化：
1．泄漏源處于地面處，即高度H=0；2．橫風向和豎直方向的系數相等，即
114
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
crv=吒=盯；3．假設氣云形狀為半球形，可燃氣體濃度為中心對稱分布a
因此，式(5一1)司以簡化如F：
c=去．cx似枷H一圭(爿H一言(爿”
=老一帕枷H制2H制2]}
=案嗽帕硼唧H圳洛2’
=罟．expf一丟等}
=罟唧l一丟；I
對上式進行簡化，可得到：
C=A·expE-B‘，2] (5—3)
式中，A、B為系數，r為到泄漏點的距離。
5．2高斯分布可燃氣云爆燃的數值模擬
5．2．1理論模型
假設氣云形狀為半球形，可燃氣體濃度呈現中心對稱分布，在泄漏點處點火，即
在氣云中心點火。
理論模型與可燃氣體處于均勻濃度下的半球形氣云爆燃情況相同，詳見本文4．1
部分。
5．2．2氣云內部可燃氣體的濃度分布
從式(5—3)可以看出，在可燃氣體的泄漏量一定的情況下，可燃氣體濃度的分布
規律受到系數A、B的影響。其中，A為泄漏點的濃度；B為指數，B數值較大時，濃
度梯度較大，氣云半徑較小，這種情況出現在大氣比較穩定而風力較小的條件下，麗／3
大連理工大學博士學位論文
數值較小時，濃度梯度較小，氣云半徑較大，這種情況出現在大氣不穩定或風力較大
條件下。
根據5．1．2部分的敘述，可燃氣體要滿足2～4項要求才可能形成高斯氣云。根據可
燃氣體活性由低至高，常見的三種氣體為甲烷、乙烯、乙炔，它們與空氣的物性參數
表5-1典型可燃氣體物性參數‘104]
Table5·1 Physical parameters oftypical flammable gas
見表5．1。對比這些參數，可以發現乙烯與乙炔比較容易形成高斯氣云，而甲烷則相對
較難。本文一直采用乙炔為研究對象，所以這里也選擇乙炔作為可燃氣體進行研究。
通過本文第2章的實驗發現，在本文弱點火條件下，乙炔的爆燃極限為5．3～17．8％。因
此，泄漏點乙炔濃度，即參數A應在此范圍之內。另外，通過實驗還確定乙炔的最危
險濃度為13．3％，為使研究更具有普遍性，本章將進行三個算例的計算，泄漏點濃度
分別大于、等于、小于最危險濃度，且乙炔的總泄漏量相同。
根據上述分析，假設前二個算例泄漏點乙炔濃度，即參數A分別等于17．3％與
9．3％；為進行對比，假設第三個算例為均勻分布氣云，乙炔濃度為13．3％，氣云半徑
為20m。
半球形氣云所含純乙炔體積為：
0
％％=詈骨瑤·13．3％ (5-4)
o
高斯分布氣云所含純乙炔體積為：
‰=辟?3仂
=f2．7T．?-3．爿·唧[一占．r2]dr
(5-5)
上面兩式相等，A為已知，B值可以求出。實際計算中，高斯分布氣云的計算邊
116
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
界取為100m，經過試算，再增大計算邊界對結果己沒有明顯影響。計算結果見表5-2。
圖5—1為這三種氣云內部乙炔濃度的分布曲線。
表5-2可燃氣云參數表
Table5-2 Parameters of flammable gas cloud
圖5—1乙炔濃度隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5—1 Concentration ofethyne against distance from explosion center
5．3數值模擬結果分析與討論
5．3．1數值模擬結果
如表5—3所示，為三個算例不同位置的計算最高超壓，根據結果作圖5-2。
算例1、2為高斯分布氣云爆燃，通過計算結果可知，二者最高超壓變化趨勢基本
相同，都是在爆燃開始后超壓有一上升過程，在到達10m后達到最高點，然后逐漸下
大連理工大學博士學位論文
降。它們的最高超壓的數值都較低，分別只有4．3與1．8好a。
算例3為均勻濃度分布的氣云爆燃，通過本文第3章實驗與第4章的數值模擬得
知，半球形氣云爆燃火焰會越過氣云邊界，直到約氣云半徑2倍處才熄滅。通過計算
結果可以看出，爆燃開始后，最高超壓呈現上升趨勢，在約1．5倍氣云半徑處達到最高
值，然后緩慢下降。該算例的最高超壓達到42．3kPa，已具有較強的破壞能力，分別是
算例1、2產生的最高超壓的9．8和23．5倍。
表5-3不同位置的最高超壓
Table5-3 Maximum overpressure at different point(kPa)
50
40
重30
詈20
10
0
0 10 20 30 40
r／m
圖5-2最高超壓隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5-2 MExLmum ove'qgressl．tre against distance from explosion center
5’3．2計算結果分析與討論
從上述的計算結果可以看出，三種氣云的可燃氣體總量相同，也就是說所含化學
能相同，但由于可燃氣體分布形式的不同，氣云爆燃強度相差很大。均勻分布氣云爆
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
燃可產生具有較大破壞力的超壓，而高斯分布氣云爆燃最高超壓僅為幾kPa量級，破
壞力較小，并且隨著距離的增大，具有衰減為定壓燃燒的趨勢。本節將從幾個方面對
這種現象產生的原因進行討論。
5．3．2．1燃燒速率分析
可燃氣云爆燃強度與能量的釋放速率有關。具有同樣能量的氣云，能量釋放速率
越快，爆燃強度越高；能量釋放速率越慢，則強度越低。燃燒速率(buming rate)是
描述能量釋放速率的～個參數，是指單位時間、單位體積內燃料的消耗質量，本文用
‰表示。
表5．4與圖5．3為三個算例中，不同位置的最高燃燒速率的變化情況。
可以看出，算例3為混合均勻的氣云，在氣云內部不同位置的最高燃燒速率基本
相等，超過氣云半徑1．5倍后，由于可燃氣體濃度的下降，所以燃燒速率才得以下降。
算例1、2為非均勻氣云，可通過第4章的燃燒模型來分析。
且盧2蜀4考pk日b一一一cq)
當珞莖‰。時
當‰>‰。時
(4—7)
(4—12)
(4—13)
式中，‰與“1分別是燃料濃度與該濃度對應的燃燒速度；y觸與U10分別是最危險濃度
和對應的基本燃燒速度；而‰u與‰L表示的是燃料爆燃的上、下限。
從式(4．7)可以看出，燃燒速率與層流燃燒速度成正比，而從(4—12)、(4—13)看出，
不同濃度下的層流燃燒速率與當前濃度有關。通過對上列三式的分析，可以得出結論，
當可燃氣體濃度越接近于最危險濃度時，層流燃燒速度越高，燃燒速率則越大。反之，
可燃氣體濃度越偏離最危險濃度，層流燃燒速度越低，燃燒速率越小。
對于算例1，在氣云中心處濃度高于最危險濃度，隨著半徑的增大濃度逐漸降低，
臘
大連理工大學博士學位論文
到lOm處接近于最危險濃度。因此，根據上述分析，并結合圖5-4發現，算例1的最
高燃燒速率，在爆燃開始階段隨著半徑的增大而升高，到達約lOm處達到最高值，然
后隨著濃度的降低而下降。
而對于算例2，在氣云中心處濃度即小于最危險濃度，所以在圖中發現，最高燃燒
速度沒有明顯的上升階段。但由于它的濃度分布與算例1相比，變化較為平緩，它的
最高燃燒速度曲線變化也相對較緩。
表5-4不同位置的最高燃燒速率
Table5-4 Maximum burning rate at different point 蚓(rn3s))
O 10
圖5-3最高燃燒速率隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5-3 Maximum burning rate against distance from explosion center
5．3．2．2火焰速度分析
氣云爆燃過程中，火焰速度是一個很重要的參量。火焰速度越高，在火焰陣面前
120
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
會產生較高的膨脹流動，流動的氣體像活塞一樣沖擊前面的大氣，從而產生較強的沖
擊波。
從表5．5與圖5-4可以看出，對于算例3這樣的混合均勻的氣云，在氣云內部，火
焰速度隨著傳播距離的增大而升高。說明對于混合均勻的氣云爆燃，火焰具有自加速
的作用，所以氣云半徑越大，產生的火焰速度越高，爆燃的強度也會越高。
對于算例1、2，在爆燃開始后，火焰速度也具有一個加速階段。但是隨著半徑的
增大，可燃氣體的濃度逐漸下降，導致燃燒速率降低，能量的釋放速率下降，已經維
持不了火焰的加速作用，所以火焰傳播至g一定距離后，火焰速度開始逐漸降低。并且
隨著火焰傳播距離的增大，火焰速率逐漸接近于基本層流燃燒速度，說明爆燃有衰減
為定壓燃燒的趨勢。
表5-5不同位置的最高火焰速度
Table5—5 Burning velocity at different point(m／s)
0 10 20 30
r／m
圖54最高火焰速度隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5-4 Burning velocity against distance from explosion center
121
瑚
m
m
∞
們
。
臂7籮oo
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5．3．2．3討論
從上面的計算分析中，可以發現，可燃氣云爆燃可以分為三類不同的情況。
第一類是可燃氣云內部，可燃氣體與大氣混合均勻，并且處于、或接近于最危險
濃度。這類氣云在爆燃開始后，火焰具有自加速作用，氣云半徑越大，火焰速度越高，
爆燃強度也就越高。大尺寸的這類氣云爆燃具有較強的破壞能力。
第二類是氣云內部可燃氣體分布不均勻，在泄漏點附近濃度大于最危險濃度。這
類氣云在爆燃初始階段，火焰有一個加速階段，超壓也會逐漸上升，然后隨著可燃氣
體濃度的下降，火焰速度逐漸下降，超壓也逐漸下降。因此，大尺寸的這類氣云爆燃，
氣云內部會有一個危險區域，該區域內會產生具有較弱破壞力的超壓(如門窗玻璃破
裂等)；但對于氣云整體來說，它所產生的超壓不具有較強的破壞能力。
第三類是氣云內部可燃氣體分布不均勻，在泄漏點附近濃度小于最危險濃度。這
類氣云在爆燃過程中，火焰沒有明顯的加速階段，并且隨著距離的增大，爆燃具有衰
減為定壓燃燒的趨勢。因此，大尺寸的這類氣云爆燃所產生的超壓，不具有破壞能力。
一般情況下，在實際過程中，不會形成混合均勻的可燃氣云。因此，即使較大尺
寸的氣云發生爆燃，也不會產生較高的超壓。只有在極其特殊的情況下，如可燃氣體
泄漏量較大，大氣穩定度較高，風力較小，并且經過長時間的混合，才可能形成混合
較好的氣云，從而在爆燃過程中產生較強的破壞能力。這種現象在工業實際中也出現
過。因此，在化工廠、油庫等單位選址時，不能選擇在地勢低洼，不易于空氣流通的
位置。并且在發生可燃氣體泄漏時，一定要加強通風，從而避免混合較好的氣云的形
成。
5．4小結
本章對高斯分布的可燃氣云爆燃進行了數值模擬，并且與具有均勻分布的氣云爆
燃進行了對比分析。具體結論有：
(1)可燃氣云爆燃強度與可燃氣體的分布規律密切相關。而氣云內部的可燃氣體
分布規律受到泄漏狀態、環境因素等有影響，對于點源泄漏，如果條件適宜，可形成
符合高斯分布的可燃氣云。
(2)混合均勻的可燃氣云爆燃時，火焰具有自加速作用，爆燃強度隨著氣云半徑
的增大而加強。大尺寸可燃氣云爆燃具有較強的破壞能力。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
(3)具有高斯分布的可燃氣云，隨著到爆心距離的增大，可燃氣體濃度逐漸降低，
燃燒速率也逐漸降低，維持不了火焰的自加速作用，因此不會產生較強的超壓。大尺
寸的氣云爆燃產生的超壓不具有較強的破壞能力。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
6有障礙物可燃氣云爆燃實驗與人工神經網絡預測
實踐證實，障礙物是影響氣云爆燃重要因素之一，對爆燃強度具有較強的促進作
用。本章首先設計了具有規則形狀的障礙物，通過正交實驗方法研究了障礙物的特性
參數對爆燃強度的影響。然后構造了BP型神經網絡，采用神經網絡技術對有障礙物可
燃氣云爆燃強度進行模擬與預測。
6．1實驗系統與實驗方法
6．1．1障礙物設計
目前，障礙物影響實驗分為兩類。一是障礙物直接選自生產現場，如排管、平板，
篩板等，然后進行可燃氣云爆燃實驗：二是在管道內，選取圓環等簡單障礙物進行實
驗，更側重于理論研究。但二者都有各自弱點，工業現場的障礙物千差萬別，選取實
際障礙物進行實驗，耗費大量人力、物力，也不容易得到具有規律性的結論；而后者
通過簡單障礙物做起，希望在理論方面有所突破，然后應用到可燃氣云爆燃強度預測
中，但限于目前水平，到實際應用還有相當大的距離。
根據對上述方法的分析，本文進行的障礙物實驗將遵從二個原則：一是實驗應屬
于可燃氣云爆燃實驗，使得實驗結果更接近于生產實際；二是要對工業現場的障礙物
進行合理簡化，設計出具有代表性的障礙物，以便于對實驗結果進行分析，得到有意
義的結論與規律。
工業現場存在的障礙物有房屋、塔、罐、列管、篩板等，雖然大小、材質、形狀
等相差很大。但經過分析發現，可以采用幾個參數對它們進彳亍描述，如到點火源的距
離、障礙物尺寸、空隙率(截面上空隙占總面積的比例)等。因此，有必要選取這幾
個參數進行實驗研究。
通過上述分析，本文障礙物實驗確定為：設計半球環條柵形障礙物，選取障礙物
尺寸、條柵寬度、空隙寬度等特性參數進行實驗研究。
6．1，2實驗現場布置
實驗時，障礙物用膠帶固定在實驗平臺上(圖6—1，a)，障礙物球心與氣云球心
重合。傳感器沿氣云半徑周向布置，距離地面高度均為100mm，如(6—1，b)所示。
實驗中采用的障礙物規格表見表6-1。
125
大連理工大學博士學位論文
氣云
(a) 實驗裝置示意圖
(a)SchematicdiagramofexperimentN system
(b) 障礙物示意圖
(b)Obstruction schema在c diagram
圖6—1半球形障礙物實驗裝置圖
Fig．6—1 Sernisphefical obstrucdon test equipment diagram
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
注：表中空隙率為面積空隙率，即障礙物表面上空隙面積占總面積的比例。
6．1_3實驗方案設計
本章實驗將分為兩個部分。
(1)正交實驗：考察單層半球條柵形障礙物三個特性因素：半球條柵形障礙物半徑
ro、障礙物條柵寬度b、障礙物空隙寬度bo對爆炸超壓4p的影響，以及它們之間
的交互作用。
(2)主體實驗：在正交實驗基礎上，進行大量實驗，為人工神經網絡技術的實驗提
供訓練及檢驗樣本。
為了更好地研究半球條柵形障礙物的特性參數(r，b，bo)對爆炸威力的增強規律
及影響，并論證本文中討論的各個因素對于爆炸威力影響的顯著性，特針對障礙物的
以下三個特征因素設計具有交互作用的正交實驗：
(1)半球條柵形障礙物半徑ro(ram)：100，200，300
(2)半球條柵形障礙物條柵寬度b(mm)：15，30，45
(3)半球條柵形障礙物空隙寬度bo(姍)：15，30，45
本實驗是三因素三水平單指標實驗，實驗的因素水平如表6—2所示。該實驗除考慮
以上三個因素外，還要求研究交互作用：A×B，AXC，BXC對實驗指標一爆炸超壓
Ap的影響。因此，除三個因素占三列外，三個交互作用都各需占用-ytj，這樣一共要
占正交表六個列，因此選用L。(3t，)正交表。查相應的交互作用列表【93螄1設計的實驗方
案如表6—3所示【106～1081。
查矍里三查蘭竺主堂垡壘奎
表6-2實驗的因素水平表
Table6-2 The experiment factor andIeveI
A B C
障礙物半徑，，以nm 障礙物空隙寬度，bdmm 障礙物條柵寬度，b／mm
1 100 15· 15
2 200 30 30
3 300 45 45
表6-3正交實驗方案表
Table 6．3 The orthodoxy experimental scheme table
列號1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
實驗號A B AB C AC BC
6．2實驗結果與分析
6．2．1正交實驗結果與分析
表6．4為正交實驗結果，表中為實驗實測超壓的平均值，實驗原始數據見附錄3a
表64正交實驗數據表
Table 6-4 The orthodoxy experimentM l'eSults table
實驗號測點距爆源中心距離r／m
0．7 0．9 1．1 1．5 2．7 3．5
1(A181C1)4．205 3．868 3．481 2．546 1．548 0．623
2(A181C2)
3(A181C3)
4(A182C1)
5(A182C2)
6(A182C3)
7(AlB3C1)
8(A183C2)
9(A183C3)
10(A281C1)
3．885
3．326
4．270
4．108
3．945
14．204
4．082
4．105
18．04l
3．497
3．009
3．950
3．588
3．641
9．254
3．654
3．586
13．703
3．365 2．398 1．337 0．525
3．021
3．578
3．420
3．301
7．241
3．541
3．317
9．238
2．197
3．009
2．512
2．404
4．302
2．512
2．436
6．511
1，202
1．658
1．449
1．346
2．955
1．462
1．336
3．319
0．476
0．688
O．562
0．589
2．554
0．585
0．473
2．080
塑型整墊塞墨生!里塑皇墨墨整堡壅要塞
11(A2BIC2) 7．795 6．634 5．098 4．607 3．199 2．274
12(A281C3) 5．521 4．428 3．403 2．635 1．796 0．848
13(A282C1) 13．450 11．078 7．556 5．248 3．291 2．340
14(A282C2) 9．973 8．263 4．521 3．492 1．937 1．414
15(A282C3) 5．307 4．304 3．056 2．571 1．431 O．830
16(A283C1) 19．055 17．777 10．937 9,453 3．426 2．544
17(A283C2) 7．282 6，784 3．873 2．964 1．947 1．196
18(A283C3) 6．169 4．762 3．432 3．200 1．528 O．915
19(A381C1) 35．512 32．224 29．616 11．854 9．844 8．887
20(A381C2) 33．894 29．011 13．584 10．926 4．958 3．564
21(A381C3) 13．748 12．321 6．543 4．923 3．412 2．805
22(A382C1) 36．221 35．055 27．542 17．025 10．011 9．872
23(A382C2) 34．393 29．794 19．620 9．694 7．794 6．340
24(,A382C3) 31．988 20．585 13．548 8．587 6．018 3．024
25(A383C1) 39。241 36，926 34．897 17．081 9．255 9．521
26(A383C2) 34．980 28．560 18．987 8．889 7．021 4．258
27(A383C3) 31．140 29．536 16．704 9．219 6．932 5．106
為便于數據分析，取距爆源中心d=O．7m處超壓平均值進行極差分析，結果見表
6．5。
表6-5正交實驗結果極差分析表
Table 6-5 The analysis table oforthodoxy experimental results
!塑!盟!絲! !墮墜旦塑旦全堂1
1 1(100) 1(15) 1 1(15) 1 1 4．205
l
1
2(30)
2
2
3(45)
3
3
129
2(30)
3(45)
1
2 2
3 3
1 1
2 2
3 3
2 3．885
3 3．326
3 4．270
1 4．108
2 3．945
2 14．204
3 4．082
1 4．105
1
1
2
2
2
3
3
3
}1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
大連理工大學博士學位論文
2(200) 1
2 1
2 l
2 2
2 2
2 2
2 3
2 3
2 3
3(300) 1
3 1
3 1
3 2
3 2
3 2
3 3
3 3
3 3
18．041
7，795
5．521
13．450
9．973
5．307
19．055
7．282
6．169
35．512
33．894
13．748
36．22l
34．393
31_988
39．24I
34．980
31．140
呵． 46．130 125．928 151．120 184．199 142．944 145．342
』“
， 92．592 143．654 148．095 140．392 139．496 140．928
』．1
， 291．118 160．258 130．624 105．249 147．400 143．569
』：’
i 15．377 41．976 50．373 61．400 47．648 48．447
』jt
i 30．864 47．885 49．365 46．797 46．499 46．976
』：1
彳97．039 53．419,4-3．541 35．083 49．133 47．856
』j’
D 244．988 34．330 17．470 78．950 3．447 4．415 —注—：—(1)．表中．％．表示．第．，列．因素水．平k(k．=1,．2，．3)的．3次：實驗E!指．標之I—和：——一一
(2)表中露=＆／3表示第，列因素水平后(七=1，2，3)的3次實驗指標的平均數；
(3)表中R，表示極差，定義為B=m覦奴}一聊i咒Tjk}。
IS；kf3 I$ki3
由表6-5極差分析可以看出：R，>B>R。>B>R。>R，說明對實驗指標(爆燃超
E,ZXp)來說，各因素的影響由主到次依次為：因素1(A_障礙物半徑托)、因素5(C—
130
1
2
3
3
1
2
2
3
1
1
2
3
3
l
2
2
3
I
3
1
2
3
1
2
3
1
2
2
3
l
2
3
1
2
3
l
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
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1
2
3
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2
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2
3
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2
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M"塢坶加扒艙∞M巧撕”
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
障礙物條柵寬度6)、因素2(B．障礙物空隙寬度bo)、因素4(AB)、因素8(BC)、因
素6(Ac)，即障礙物的三個特性參量：障礙物半徑、障礙物條柵寬度和空隙寬度對爆
燃超壓的影響是顯著的，而障礙物各特性因素的交互作用的影響不顯著。
對上述各因素進行方差分析，結果見表6-6。取顯著性水平d=0．1，查表[94】得
力”川J=9．0，由于凡、B和Fc均大于9．0，可以得到：障礙物的特性因素，即障礙物
半徑ro、障礙物條柵寬度b和障礙物空隙寬度bo對爆燃超壓都有顯著影響，而障礙物
三個特性參數的交互作用對爆燃超壓的影響不顯著。各因素影響效果的關系由主到次
依次為：因素1(～半徑ro)、因素5(c．條柵寬度6)、因素2(B一空隙寬度60)、因素
4(AB)、因素8(BC)、因素6(AC)，這與極差分析的結果是一致的。
表6-6正交實驗的方差分析表
Table 6-6 Deviation analysis oforthodoxy experiment
南差寒溺J
平責幫Ssi 包電霞^均方麗j：SSi哆f F：靄if蕊ej
因素A 3762．5957 2 1881．2978 221．7726
因素B
因素C
BC
AC
AB
誤差e，
總和
13．1150
20．4925
0．0646
0．2057
1．6033
6．2．2主體實驗結果
通過正交實驗確定，在氣云半徑月。不變的前提下，障礙物半徑r0、障礙物條柵寬
度b和障礙物空隙寬度bo對爆燃強度都具有顯著影響。在正交實驗基礎上，又進行了
39組實驗，為人工神經網絡技術的實施提供訓練及檢驗樣本。實驗數據見附錄4。
6．3 BP網絡的構造與計算機實現
影響氣云爆燃強度的障礙物特性參數有3個，加上氣云半徑Ro，即影響爆燃強度
的共有四個因素。因素較多，很難采用傳統的數學方法對實驗數據進行回歸與擬合。
8
6
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篡蛭黑淼一
大連理工大學博士學位論文
人工神經網絡是基于連接系統構造的智能仿生模型，它是由大量神經元組成的非
線性動力學系統。人工神經網絡是算法與結構的統一體，也是硬件與軟件的混合體。
具有非線性、非定常性等特點。主要研究非程序的自適應性的和腦模式的信息處理問
題。神經網絡模型是由大量處理單元(神經元)互聯組成的非線性大規模自適應動力
學系統。它具有自組織、自適應和自學習的能力。它已成功用于那些多個因素相互影
響或數據不全、關系不明確甚至數據短缺時的動態預測(Kinetic Prediction)。其突出優
點是網絡能夠通過觀察和減小誤差由已知輸入再造輸出而進行學習[10¨12]。
因此，采用人工神經網絡技術可以用于氣云爆燃的模擬與預測，并且具有簡單、
實用、精度較高的優點。
6．3．1 BP網絡構造
本文選用BP網絡，為3層結構，包括輸入層、隱藏層和輸出層。網絡的輸入是氣
云半徑、障礙物的半徑、條柵的寬度以及空隙的寬度。網絡的輸出為氣云爆炸的超壓。
隱藏層的節點數目決定著網絡的預測精度，它與訓練樣本個數有關，根據本文情況，
適宜的結點個數應在5～8個，具體選用幾個節點由試驗確定。
6．3．2模型網絡的歸一化處理
對于可燃氣云爆炸過程，采用BP網絡進行訓練以及預測時，輸入參數分別是氣云
半徑R(O．25m～1．25m)、障礙物半徑r(0．1Ⅱ卜O．5m)、條柵寬度b(15mm一60mm)、空
隙率中(20％100％)；輸出參數為爆炸超壓△P(0kPa～60kPa)。可以看出，這些參數
不僅物量意義不同，而且存在著量級上的區別。當采用BP網絡進行訓練及預測時，如
果各個輸入和輸出變量存在明顯的量級差別時，易造成網絡各節點間的權值判別過大，
致使網絡性能降低，進而增加了網絡訓練的難度，從而影響到預測的精度。為此需要
運用數學的手段對變量進行適當的處理與變換。本文采用“歸～化”處理方法對原始
數據做重新整理后再用于網絡訓練與預測。具體做法是用下面的算式進行變換：
z=互二玉也
tm找一一。h
式中：一。。一第i維輸入數據的最小值：
薯一一第i維輸入數據的最大值
(6—8)
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
0一歸一化后的新值。
經過(6-8)式處理后，全部變量t的值將被映射g『J[0，11區間。這樣一來，用于網絡
訓練的變量之間便不再有量級上的差別。對于一般的模擬對象，上述處理己能夠滿足
網絡訓練的要求。
6．3．3訓練與檢驗樣本的確定
實驗共66組，隨機選取60組作為人工神經網絡的訓練樣本。另外6組實驗作為
檢驗樣本。檢驗樣本在附錄上中分別為2、8、16、21、32、43#實驗。
6．3．4模擬、預測的計算機實現
MATLAB是由美國的Mathworks公司推出的一個科技應用軟件f11lJl21。它是一種
高性能的用于工程計算的編程軟件，它把科學計算、結果的可視化和編程都集中在一
個使用非常方便的環境當中。在這個環境中，用戶的問題和得到的結果都是通過用戶
非常熟悉的數學符號來表達的。MATLAB典型的應用范圍包括以下幾個方面：
·數學計算
●算法推導
·建模和仿真模擬
·數據分析和結果的可視化
●工程圖形的繪制
●應用程序開發，包括用戶圖形界面的建立
MATLAB最早作為矩陣實驗室(Matrix Laboratory)，是用來提供與LINPACK和
E塔PACK矩陣軟件的接口的，后來，它逐漸發展成為具有通用科技計算、圖形交互系
統和程序設計語言的國際公認的最優秀的科技應用軟件之一。MATLAB經過多年的使
用，在歐美等國家的高等院校中，己經成為應用線性代數、自動控制理論、數理統計、
數字信號處理、動態系統仿真等課程的基本教學和研究工具，并成為本科生、研究生
們必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業部門，MATLAB已經成為研究和解決
各種具體工程問題的一種標準軟件。
用MATLAB語言構造神經網絡的激活函數，編寫各種網絡設計與訓練的子程序，
網絡的設計者可以根據自己的需要去調用工具箱中有關神經網絡的設計訓練程序，使
自己能夠從繁瑣的編程中解脫出來。因此，本文采用MATLAB語言來編寫神經網絡程
大連理工大學博士學位論文
序。
6．4模擬預測的實際應用
6．4．1神經網絡的訓練
BP定理：給定任意占>0和任意厶igl數f：[0，1]”一R4，存在一個三層BP網絡，
它可在任意s平方誤差內逼近廠。
雖然BP定理告訴我們，只要用三層的BP網絡就可以實現厶函數，但實際上，還
是有必要使用更多層的BP網絡，其原因是用三層BP網絡來實現厶，往往需要大量的
隱層節點，而使用多層網絡可減少隱層節點數。但如何選取網絡的隱層數和節點數，
還沒有確切的方法和理論，通常是憑對學習樣本和測試樣本的誤差交叉評價的試錯法
選取。
本文選取網絡隱層數目為1層，下面選取隱層節點數目。依據經驗，節點數目可
選范圍為5、6、7、8。如果節點數目太少，則預測精度較低，數目太多時，則要求樣
本數較多。選取依據為兩個：一是網絡訓練時收斂速度，二是對檢驗樣本預測時的精
度。
網絡訓練時，設定誤差限為O．001，迭代次數限定為50000。檢驗樣本為6個，本
節只選取距測點0．7m爆炸超壓為預測目標。
從圖6．2可以看出，不同節點數目下，迭代數目隨著節點數目的增多而減少。最
大迭代數目為243次，最小為53次，迭代數目都不是很大，網絡訓練時都比較容易收
斂，所以在確定隱藏層數目時，可以不考慮收斂速度的影響。
從表6—7可以看出，5、8節點時誤差略高，6、7節點時誤差相差不多，而6節點
時誤差最小，所以最后選取節點數目為6。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
6．4．2神經網絡的檢驗
隱藏層節點數目確定為6個，選取6個檢驗樣本中的全部數據進行網絡檢驗。結
果見表6-8。
從表中可以看出，BP網絡經過訓練過，預測值與實驗值吻合很好。在6個檢驗樣
本中，總平均偏差為8．6％。可見，BP網絡可以成功地用于氣云爆炸的模擬與預測。
Pefrormanceis 0．口0112325．Goalis O∞1
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50 10口1卯
243 Epochs
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大連理工大學博士學位論文
(a)
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(b)
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軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
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53 Epochs
(由
圖6-2不同節點數目時迭代次數
Fig．6-2 Itemtive number against node number
表6-8 ANN網絡預測值與誤差
Table 6．8 Prediction valtie and errors of ANN
實驗值位Pa 3．885
O·7 預測值衄a 3,436
相對偏差／％ 6．1
實驗值以毋a 3．497
0,9 預測值衄a 3．412
相對偏差M 1．2
實驗值肥)a 3．365
1·1 預測值／kPa 3．959
相對偏差／％ 8．1
實驗值瓜Pa 2．398
1·’ 預測值／kPa 1．895
相對偏差／％ 11．7
4．127
3．737
4．9
3．740
3．342
5．6
3．449
3．931
6．5
2．534
2．528
O．1
5．307
5．521
1．9
4．304
4．495
2．1
3．056
3．421
5．6
2．571
2．842
5．0
137
7．282 19．489 32．727
12．260 14．363 34．03 1
9．2
25．4 15．1 1．9
6．784 16．628 21．701
7．274 12．258 21．592
4．6
3．4
3．873
5．499
17|3
2．964
4．842
24．0
15．1 0．2
10．011 14．043
8．410 13．160
8．6 3，2
6．733 8．559
6．437 6．454
2．2 14．0
9．5
苔』∞喘口o
m三∞矗u!u!Ⅲj上
大連理工大學博士學位論文
實驗值^于a 1．337
o7 預測值N．Pa 1．475
相對偏差肼4．9
實驗值^心a 0．526
3·5 預測值／l心a 0．556
相對偏差肼2．8
平均相對偏差／％
6．4，3可燃氣云爆燃的模擬與預測
本章研究范圍內，影響氣云爆燃因素有氣云半徑、障礙物半徑、條柵寬度、空隙
率等。下面采用神經網絡技術進行模擬，探討以上4個因素對爆燃超壓影響的規律。
6．4．3．1氣云半徑對爆燃超壓的影晌
實驗分為兩類，一是實驗過程中，障礙物半徑不變；二是障礙物半徑與氣云半徑
之比不變。具體實驗參數為：1：氣云半徑R=0．2m～1．4m，障礙物半徑ro=0．2m，條
柵寬度b=30ram，空隙率≯=50％；2：其它條件不變，只是障礙物半徑發生變化，
％。=％。預測結果見表6-9。
在表6-9中，任選2、6、7、13#四組預測數據，以測點到爆心的距離與氣云半徑
之比(r／兄)為橫坐標作圖6—3。圖中可見，爆燃超壓隨著測點到爆心距離的增加而
逐漸下降，規律性較好，說明該預測符合物理規律。
選取，／B=1．4時的數據，以氣云半徑為橫坐標作圖6-4。可見，爆燃超壓隨著氣
云半徑的增大而明顯升高，趨勢非常明顯。從表6-9可見，氣云半徑由0．2m至1．4m，
上升了6倍。爆燃超壓，在障礙物半徑％=O．2m情況下，由4．323kPa到22．746始a，上
升了4．2倍；而在障礙物與氣云半徑比％。=％情況下，由2．260kPa到58．086k-pa，
上升了24．7倍。說明，與半球形氣云爆燃相同，存在障礙物時，氣云半徑也是影響爆
燃強度的重要因素。
如
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軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
0．2 ro=0．2Ⅲ
1 4．323 4．176 3．927 3．214 2,237 1,221
矗／見：0．5 2 2．260 2·143 2．036 1．840 1．425 0,828
O．4 rn=0,2m
3 6．780 5．422 4219 4．084 2．148 1·327
ro／見：0．5
4 6．780 5．422 4．219 4．084 2．148 1．327
0．6 ％=0．2m
5 10．253 8．684 6·205 3·834 2．177 1，598
，n／凡：0．5
6 34·055 27·488 19·288 13．558 7．655 6．513
0_8 rn=0．2m
7 14·822 12·583 9．056 6．484 4．480 2．987
％／R：0．5 8 40·470 38·798 30-269 10．923 7．084 3．330
1 n ro：0．2m
9 17·837 14·533 10·858 7．252 5．785 2，34l
蠢／凡：0．5 10 49-219 43-609 38·434 20-548 12．908 7．416
1 2 rn：0．2m
11 19·275 15·437 14·655 12．137 7,991 4．430
rn／Ro：0．5
12 56·184 54-132 45—178 30．196 24．640 11．063
1．4 rn=0．2m
13 22-746 17·306 13·466 11·035 7·114 4·155
瑋／R：0．5
14 58·086 56-497 52·469 34．661 21．525 12．547
1 2 3 4 5 6 7
r／Ro
圖6-3不同氣云半徑時預測超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-3 Prediction overpressure against distance at different cloud mdius
139
"如硝加：。均，0
目魯日
大連理工大學博士學位論文
60
50
40
皂30
司20
10
0
O
R扣
圖6-4預測超壓隨氣云半徑的變化曲線
Fig．6-4 Prediction overpressure against cloud radius
6．4～3 2障礙物半徑對爆燃超壓的影響
氣云半徑選定為O．5m，障礙物半徑由0．2m-lm，條柵寬度選定為30mm，空隙率
選定30％與70％兩種情況。預鋇4結果見表6—10。
在表6．10中，任選1、3、5、9#四組預測數據，以測點到爆心的距離與氣云半徑
之比(r／R)為橫坐標作圖6—5。爆燃超壓與測點到爆心距離成反比，規律性較好。
選取r，風=1．4時的數據，以氣云半徑為橫坐標作圖6-6。圖中可以看出，爆燃超
壓隨著障礙物半徑的增大而升高，當障礙物半徑較小時(心O．3m)時，上升速度較快，
隨著半徑增大(>一O．3m)，上升趨勢變緩。從表6—11可見，障礙物半徑由O．1m至O．5m，
上升了5倍。爆燃超壓，在障礙物空隙率西=30％情況下，由4．770kPa到39．485kPa，
上升了7．3倍；在障礙物空隙率西=70％情況下，由3．385kPa到11．891kpa，上升了2．5
倍。
140
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
表6．10ANN網絡預測值
，Ihble 6．10 Prediction value ofANN
2 3 4 5 6 7
r|R4
圖6-5不同障礙物半徑時預測超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-5 Prediction Ov451"pTeSSBI'e against distance at different obstacle radius
14l
柏撕如”加”∞，o
日自／d日
大連理工大學博士學位論文
O．1 0．4
圖6-6預測超壓隨障礙物半徑的變化曲線
Fig．6-6 Prediction overpressure against obstacle radius
多能模型理論指出：氣云爆燃強度與氣云所受約束條件有關，氣云中受到約束部
分比例越高，爆燃強度越大。而障礙物的半徑越大，在同樣體積的氣云內，氣云所受
約束的比例越高，所以爆燃超壓也就越高。
6．4．3．3條柵寬度對爆燃超壓和影響
氣云半徑選定為0．5m，障礙物半徑為O．2m，空隙率為30％與70％，改變條柵寬度
(b=10～50ram)，來檢驗條柵寬度對爆燃強度的影響。預測結果見表6-11。
圖6．7為在不同條柵寬度下，爆燃超壓隨到爆心的距離的變化情況，圖(a)對應
空隙率西=30％，圖(b)對應毋=70％。可以看出，條柵寬度b=10，20ram對應的兩條
曲線明顯在其它曲線的上方，也就是值較高，其它三條曲線bB較接近。
以r／R=1．4處測點預測數據對條柵寬度作圖6．8。空隙率妒=30％，妒=70％對應
的兩條曲線，趨勢基本一致。lOmm<30mm階段，隨著條柵寬度的增加，爆燃超壓>30ram)，條柵寬度對爆燃超壓的影響較小。從表6，12的預測數據中，
可以清楚看出這個趨勢，r／R=1．4處，當空隙率廬=30％，b=lOmm時，爆燃超壓
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
卸=23．8786kPa，是b=30ram時超壓15．531kPa的1．5倍；而后者只是b=50mm時爆
燃超壓14．952kPa的1．04倍。
以上研究表明，氣云爆燃強度不僅與氣云所受約束的體積有關，也與爆燃過程中
所受擾動有關。當條柵寬度較小時，同樣空隙率情況下，條柵個數較多，這樣爆燃過
程中，膨脹氣流所受擾動就越大，爆燃強度就越高；而隨著條柵寬度的增加，這種擾
動影響逐漸減小，所以對爆燃強度的影響也逐漸減小。
表6．11ANN網絡預測值
T曲le 6—1l Prediction value of ADmf
大連理工大學博士學位論文
25
20
重15
0 10
5
0
10
8
重6
導4
2
O
2 4
r／R o
(a)廬=30％
7
2 3 4 5 6 7
，偎o
(b)廬=70％
圖6．7不同條柵寬度時預測超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-7 Prediction Overpressure against distance at different bar width
144
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
25
20
重15
導10
5
0
10 30 40 50
6／mm
圖6-8預測超壓隨條柵寬度的變化曲線
Fig，6-8 Prediction overpressure against bar width
6t4．3．4障礙物空隙率對爆燃超壓的影響
氣云半徑選定為O．5m，障礙物半徑為O．2m，條柵寬度為lOmm與40mm，改變空
隙率數值(函=20％～100％)，來檢驗空隙率對爆燃強度的影響。預測結果見表6—12。
任選表中1、3、5、711}四組預測數據，以測點到爆心的距離與氣云半徑之比(，／R)
為橫坐標作圖6-9。爆燃超壓與測點到爆心距離成反比，規律性較好。選取，／R=I．4
時的數據，以空隙率為橫坐標作圖6．10。可見，爆燃超壓隨著空隙率的增大而明顯降
低，趨勢非常明顯。當條柵寬度b=lOmm時，空隙率≯=20％時爆燃超壓
印=27．773kPa，是廬=100％時爆燃超壓3．721kPa的7．5倍。可見，空隙率對爆燃強
度的影響非常顯著。
大連理工大學博士學位論文
2 3 4 5 6 7
西／％
圖6-9不同空隙率時預測超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-9 Prediction overpresslIre against distance at different spacing rate
146
如
笛
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¨
m
，
0
≈電鬯龜司
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
6．5小結
30
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日20
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10
5
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20 40 60 80 100
士脫
圖6．10預測超壓隨空隙度的變化曲線
Fig．6-10 Prediction overpressure against spacing rate
(1)進行了半球環條柵形障礙物對氣云爆燃影響的實驗。實驗表明，障礙物的特
征參數影響氣云爆燃強度，產生的爆燃超壓可達無障礙物時的10倍以上。各因素的影
響由主到次依次為：障礙物半徑m障礙物條柵寬度b、障礙物空隙寬度bo。此三個因
素對爆燃強度的影響都是顯著的，而它們間的交互作用的影響不顯著。
(2)采用神經網絡技術對氣云爆燃實驗數據進行訓練與檢驗。經過試驗，最后采
用3層BP網絡，隱藏層選取6節點。通過對檢驗樣本的測試，確定平均偏差為8．6％，
說明采用該技術可以用于氣云爆燃的模擬與預測。
(3)采用神經網絡技術對氣云爆燃進行模擬與預測。結果發現：可燃氣云半徑越
大、障礙物半徑越大、在一定范圍內條柵寬度越小、空隙率越低，氣云爆燃的強度越
高。
147
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
7結論與展望
7．1本文主要結論
針對可燃氣云爆燃過程，分為無障礙物與有障礙物兩種情況，對其強度進行了研究。
主要結論如下。
(1)采用實驗方法研究了氣云體積，可燃氣體濃度，弱約束物的強度與層數、氣
云形狀等因素對氣云爆燃強度的影響。結果顯示：氣云爆燃強度隨著氣云半徑的增大
而加強，半徑1．25m的氣云爆燃，產生的超壓可達到半徑O．5m氣云爆燃的1．9倍；開
敞空間條件下，乙炔的最危險濃度為13．3％，為化學計量比濃度的1．7倍：氣云爆燃強
度隨著約束物的強度的升高而增大，采用相對厚度為0．012的薄膜時，產生的超壓可達
無薄膜時的1．6倍，而采用4層薄膜時，產生的超壓可達到1層薄膜時的5．5倍；相同
體積與濃度的氣云，半球形氣云爆燃強度最高，圓柱形氣云爆燃強度隨著氣云形狀因
子(高徑比)的增大而提高。
(2)對數值方法進行了研究。對現有SIMPLE算法進行改進，推導出改進的密度
校正方程，并改進了計算流程。計算實踐證實，該方法可應用于開敞空間可燃氣云爆
燃流場的數值計算。
(3)采用Bakke-ttjertager燃燒模型、結合流體力學控制方程組、組分方程，建立
了描述半球形可燃氣云爆燃的二維數學模型，并采用本文改進的算法進行求解。計算
結果經過與實驗數據相比較，證實該數學模型能夠較好地反映可燃氣云爆燃的物理化
學過程。
通過對爆燃流場變化規律的研究，得到以下結論：可燃氣云爆燃過程中，爆燃波
由沖擊波與火焰面共同組成，可燃氣體濃度均勻分布的可燃氣云，爆燃過程中沖擊波
與火焰面之間距離逐漸增大，說明爆燃不具有向爆轟轉變的趨勢，也不可能衰減為定
壓燃燒；氣云爆燃過程中，隨著氣云半徑的增大，火焰表面積逐漸增大，火焰速度升
高，膨脹流場速度加大，從而使氣云爆燃強度逐漸提高。
進行了地面對氣云爆燃流場影響的研究。發現在本文研究范圍內，由于地面的影
響，在爆燃過程中靠近地面處產生一個較薄的邊界層，在邊界層內流場發生變形，而
超過這個區域，地面對流場的影響則可忽略不計。
進行了聚乙烯薄膜對爆燃流場影響的研究。通過流場分析發現：在薄膜破裂前，
149
大連理工大學博士學位論文
邊界處堆積了密度、壓力較高的氣體；薄膜強度越高，破裂的時間越晚，堆積的氣體
密度與壓力也就越高；薄膜破裂時，在氣云邊界處生成由內向外傳播的沖擊波，氣云
邊界處壓差越大，產生的沖擊波強度越高。
以圓柱形可燃氣云為例，采用數值模擬方法，研究了氣云形狀對爆燃流場與爆燃
強度的影響規律。研究發現，圓柱形氣云爆燃過程中，爆燃流場無法始終保持球形對
稱，靠近地面處為最危險區域；氣云的高徑比越小(即形狀因子e越小)，氣云內部可
燃氣體完全反應所需要的時間越長，能量的釋放速率就越低，因此爆燃強度也就越低。
對工業大尺寸可燃氣云爆燃強度進行了預測。結果表明，處于最危險濃度下的大
尺寸氣云爆燃具有較強的破壞力，例如半徑為80米乙炔／空氣氣云爆燃甚至具有使鋼筋
混凝土建筑完全毀壞的能力。而當濃度偏離最危險濃度時，爆燃強度明顯降低。
(4)以高斯分布氣云為例，進行了非均勻分布氣云爆燃強度的數值模擬。結果發
現，具有高斯分布的可燃氣云，隨著到爆心距離的增大，可燃氣體濃度逐漸降低，燃
燒速率也逐漸降低，維持不了火焰的自加速作用，因此大尺寸的氣云爆燃也不會產生
較高超壓，這點與均勻氣云爆燃截然不同。
(5)設計了半球環條柵形障礙物。通過實驗發現，該障礙物可增強氣云爆燃的強
度，最高超壓可達無障礙物時的10倍以上；障礙物的三個特性參數(障礙物半徑、障
礙物條柵寬度、障礙物空隙寬度)對爆燃強度都具有顯著性影響。采用神經網絡技術
對氣云爆燃實驗數據進行訓練與檢驗。經過試驗，最后采用3層BP網絡，隱藏層選取
6節點。對檢驗樣本進行了測試，平均偏差為8．6％。采用該網絡進行模擬發現：可燃
氣云半徑越大、障礙物半徑越大、在一定范圍內條柵寬度越小、空隙率越低，氣云爆
燃的強度越高。
7．2展望
由于可燃氣云爆燃過程的復雜性，目前其強度研究水平還不很高，仍存在很多問
題有待于進一步的研究。例如：
(1)無障礙物時，任意形狀的非均勻氣云爆燃強度的預測。本文僅以比較簡單的
高斯分布氣云為例，進行了二維數值模擬，對其爆燃強度進行了預測。在現實發生泄
漏場合，氣云形狀、可燃氣體分布將非常復雜，這就需要能夠進行三維數值模擬。未
來的發展方向，將把可燃氣云形成預測與氣云爆燃強度預測二者相結合，才可能對氣
云爆燃進行比較精確的預測。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
(2)有障礙物可燃氣云爆燃，短期內還需要依賴于實驗研究。目前從事該方面研
究的機構較少，研究又處于比較分散的狀態。因此，需要多進行幾次類似于MERGE
這樣的大型聯合實驗，并建立實驗數據庫，達到資源共享的目的，以減少重復勞動，
達到事半功倍的作用。
(3)可燃氣云爆燃的強度研究，涉及到很多學科，它的研究水平受到相關研究工
作發展狀況的很大限制。例如：氣云爆燃實際上是一個燃燒過程，如果燃燒機理研究
有大的突破，就可以建立更好的燃燒模型，數值模擬工作就會有大的突破。因此，在
該領域還有很多工作要做。
大連理工大學博士學位論文
創新點摘要
(1)對數值方法進行了研究，在傳統SIMPLE算法基礎上，采用壓力修正、速度
修正、密度修正相結合的方法，推導出改進的密度校正方程，并改進了原有計算流程，
解決了壓力—速度一密度耦合問題，從而得到了可應用于開敞空間可燃氣云爆燃流場
計算的算法。
(2)采用數值模擬與實驗相結合的方法，得到了軸對稱可燃氣云爆燃流場的變化
規律，揭示了爆燃超壓生成機理，分析了各因素對爆燃強度的影響規律，并對工業大
尺寸氣云，以及非均勻分布氣云爆燃強度進行了預測。
(3)對生產現場的障礙物進行理想化與簡化處理，設計了具有規則構型的障礙物，
并選取障礙物半徑、條柵寬度、空隙率等具有代表性的特性幾何參數進行研究。通過
實驗與人工神經網絡技術相結合的方法，掌握了上述特性幾何參數對爆燃強度的影響
規律。
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
Q
0wr
p
仉
只一
符號說明
意義及單位
回歸關系式中確定最佳相關性的常數
常數
障礙物面積阻塞率，％
障礙物條柵寬度，mm
障礙物空隙寬度，iillXl
音速，m／s
定壓熱容，kS／kg．K
薄膜厚度，mm
薄膜相對厚度
擴散系數，m2／s
火焰速度，m／s
沖擊波速度，m／s
比內能，J／'kg
爆源能量，J
活化能，ZS／m3
燃燒加強因子
圓柱形氣云高，m
比沖量，Pa·s
對流—擴散總通量
正壓沖量，Pa·s
靜態比沖量，Pa·s
馬赫數
(1)薄膜層數
(2)網格個數
燃料燃燒熱，kJ／kg
n盯的爆熱，MI／kg
壓力，Pa
大氣壓力，Pa
多能模型中最大爆炸超壓，bar
153
艏。4腳％c。d礦D
珥n。E助西。，^盡L
M。
大連理工大學博士學位論文
“
I r
礦
多能模型中的無量綱超壓
靜態壓力，Pa
爆炸超壓，kPa
多能模型中無量綱爆炸超壓
反應熱，kJ／kg
到爆心的距離，m
障礙物半徑，m
多能模型中的無量綱距離
理想氣體常數
氣云半徑，m
燃燒速率，kg／(m3s)
密度，k酊
尺度比例因子，m
源項
燃料．空氣的層流燃燒速度，m／s
時間，s
通氣時間，s
正壓區作用時間，S
①溫度，K
②目標自振周期，S
流場速度，m／s
燃燒速度，m／s
(1)氣云體積，m3
f21氣體流量，矗／s
多能法爆炸源區的障礙物的體積占有率
泄漏的燃料總量，kg
爆炸的TNT當量，蠔
燃料濃度，％
燃料燃燒上限，％
燃料燃燒下限，％
氧氣濃度，％
產物濃度，％
P
“卸加g
，
％，尺島
如曲
雒只
坼，
^
L
T
尺
w
d
現
肌孵‰‰‰R
‰
塑墮整絲塞墨竺!旦燮苧墨堡塑璺堡竺莖一能量當量經驗系數
圓柱形氣云形狀因子，即高徑比
火焰層厚度，mm
密度，kg／m3
動力粘度，N．曲一
導熱系數，W／m．K
(1)障礙物空隙率，％
(2)流體參數通式
障礙物阻塞率，目=1一西
等熵指數
艿
m占
如P
且^薩
口
丫
大連理工大學博士學位論文
附錄1無障礙物氣云爆燃實驗數據與計算結果匯總
表1不同薄膜厚度時爆燃實測超壓
Table 1 The measured overpressures ofdeflagration experiments at deferent film thickness
d’ 距離△p／kPa
。b 窒竺堡蘭望堡
0．7 2．574 2．236 2．420 2．410
0．004
0．008
0．012
0
(破膜實驗)
O．9
1．1
1．5
2．7
3．5
0．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
O．9
1．1
1．5
2．7
3．5
1．984
1．436
1．502
0．521
O．32l
3．112
2．474
1．832
1．602
0．765
O．301
3．521
3．123
2．745
2．154
0．865
0．295
2．374
1．884
1．536
1．502
O．421
O．261
1．951
1．84l
1．436
0．513
O．215
2．968
2．501
1．874
1．55l
O．70l
0．352
3．421
3．213
2．965
2．031
0．741
0，289
2．236
1．65I
1．741
1．536
0．463
0．235
1．600
1．748
1．817
0．439
0．259
2．878
2．411
2，186
1．362
0．589
0．373
3．984
3．672
2．825
2．040
0．557
0．322
2．290
1．568
1．709
1．357
0．409
0．233
I．845
1_675
1_585
0．491
0．265
2．986
2．462
1．964
l'505
0．685
0．342
3．642
3r336
2．845
2．075
0．72l
0．302
2．300
1．701
1．651
1．465
0．431
0，243
156
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
表2不同薄膜層數時爆燃實驗實測超壓
Table 2 The measured overpressures ofdeflagration experiments at defereat film layer
H 距離△p／kPa
。h 墨竺堡蘭望堡
0．7 4．463 4．49l 4．477 4．477
0．9 3．489 3．966 3．726 3．727
2
l-1 3·131 2．728 2．937 2．932
4
L5 2．321
2．7 0．987
3．5 O．412
0．7 8．624
O．9 6．621
1．1 4．427
1．5 2．326
2．7 1．159
3．5 0．652
O．7 11．074
0．9 10．699
1．1 7．296
1．5 3．957
2．7 2．180
3．5 0．912
2．013
0．946
0．453
8．694
6．409
5．168
2．477
1．495
O．601
13．058
10．324
8．163
4．611
2．753
1f112
2．092
0．968
O．371
8．455
6．272
4．616
2．238
1．381
0．643
15．243
8．074
8．049
4．698
21432
1．012
2．142
0．967
0．412
8．591
6．434
4．737
2．347
1．345
0．632
13．125
9．699
7．836
4．422
2．455
1_012
表3不同乙炔濃度時爆燃實驗實測超壓
Table 3 The measured overpressures ofdeflagration experiments at deferent ethyne concentration
濃度距離Ap／kPa
掣啦。島壅墾墮蘭望竺
5_3 O．7 1．502 1．439 1．260 1．400
O．9 1．485
1．1 1．095
1．5 1．069
2．7 0．236
157
1．342 1．240 1．356
1．079
0．966
0．220
1．017
1．008
0．205
1．064
1．014
0．220
大連理工大學博士學位論文
7．8
10．4
11．5
12．5
12．9
13．3
3．5
O．7
O．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
0．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
0．9
1．1
1．5
2。7
3．5
0．7
O．9
1．1
1_5
2．7
3．5
0．7
O．156
2．574
1．984
1．436
1．502
0．521
O．321
2．773
2．52l
1．986
1．425
0．733
0．296
2．984
2．605
2．326
2．242
I．103
O．587
3．123
2．740
2．330
2．426
1．280
0．474
2．749
2．754
2．17l
2．002
0．971
0．346
3．342
158
0．154
2．236
1．95l
1．841
1．436
O．513
0．215
3．055
2．547
1．857
1．587
0．714
0．298
2．827
2．804
2．431
1．959
0．963
0．518
2．167
2．127
1．840
1．362
0．833
0．323
3．221
2．786
2．863
2．232
1．062
0．454
3．667
O．151
2．420
1．600
1．’748
1．817
0．439
0．259
1．087
1．141
1．372
1．251
0．296
0．210
3．096
2．928
2．520
1．991
1．208
0．550
2．713
2．448
2．002
1．991
1．303
0．537
3．089
2．472
2．387
2．105
1．437
0．784
2．967
O．154
2．410
1，845
1．675
1．585
0．49l
0．265
2．914
2．534
1．922
1．506
0．723
0．297
2．969
2．779
2．426
2．064
1．092
0．551
2．668
2．439
2．057
1．926
1，139
O．445
3．019
2．671
2．474
2．113
1．157
0．528
3．326
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
表4不同氣云半徑下爆燃實驗實測超壓
Table 4 The measured overpressures ofdeflagration experiments at deferent radius ofgas cloud
氣云半徑距離△p／kPa
。。婦。也莖竺堡．． !望墮
0．75 1．4 3．912 3．684 3．552 3．716
1．8
2．2
3
2 931
2．218
1．912
159
2．902
2．382
1．903
2．867
2．597
1．633
2．900
2．399
1．819
大連理工大學博士學位論文
表5圓柱形可燃氣云爆燃實驗實鋇4超壓
Table6 The measured overpressllres ofdeflagration experiments ofcylinder gas cloud
￡0．5 0．6
rim 1．2 1．6 1．2 1．6
表6不同氣云半徑情況下爆燃超壓實驗值與計算值
Table6 Calculational and experimental deflagration overpressure against radius ofgas cloud 0d'a)
r／Ro 1．4 1．8 2．2 3 5．4 7
O．75 實驗值3．716 2．900 2．399 1．819 0．845 O．747
160
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
1
1．25
計算值
偏差M
實驗值
計算值
偏差M
實驗值
計算值
偏差M
3．827
1．0
4．528
4．530
O．O
6．418
6．654
1．3
2．946
O．8
1
3．937
4．239
3．7
5．854
5．969
1_O
2．501
2．1
2．81l
2．903
1．6
3．913
4．178
3．3
1．903
O．8
1．513
1．541
O．9
1．590
1．723
4．O
0．856
0．6
0．704
0．614
6．0
0．700
0．732
2．2
0．762
1．O
O．284
0．320
6．O
0．439
0．451
1．4
表7不同濃度下的爆燃超壓的計算值與實驗值
Table7 Calculationzl and experimental deflagrafion ove'z'pressure against concentration
濃度M 5．3 7．8 10．4 II．5 12．9 13．3 14．0 15．4 17．8
計算值／kPa 1．468 2．432 2．896 3．004 3．123 3．152 2．785 2．601 2．223
實驗值／kPa 1．400 2．410 2．914 2．969 3．019 3．326 2．652 2．338 2．102
偏差M 2．4 0．5 0．3 0．6 1．7 2．7 2．5 5．3 2．8
表8薄膜厚度與層數對爆燃超壓影響的實驗值與計算值
Table8 Experimental data and numerical results ofdeflagrafion ovcrprcssurc
influencedbythickness andlayers offilm(kPa)
0．7 0．9 1．1 1．5 2．7 3．5
1# 實驗值
rd=0．02mm
rd=O．04mm
fd=0．06mm
(d=O．02mm
計算值
偏差／％
實驗值
計算值
偏差／％
實驗值
計算值
偏差／％
實驗值
計算值
偏差／％
實驗值
2．410
2，341
1．5
2．986
2．854
2．3
3．642
3．401
3．4
4．477
4．472
0．6
8．59l
1．845
1．987
3．7
2．462
2．612
2．9
3．336
3．096
3．7
3．727
3．824
1．2
6．343
161
1．675
1．645
O．9
1．964
2．254
6．8
2．845
2．756
1．5
2．932
3．142
3．4
4．737
1．585
1．234
12．4
1．505
1．754
7．6
2．075
2．152
1．8
2．142
2．201
1-3
2．347
0．491
0．623
11．7
0．685
0．701
1．1
O．72l
0．847
8．O
0．967
0．985
0．9
1．345
0．265
0．321
9．6
0．342
0．354
1．7
0．302
0．401
14．1
0．412
O．512
10．8
0．632
奎壟翌三盔堂莖主蘭壘笙奎————
計算值8，102 6,021 4。632 2．621 1．203 0,741
偏差／％ 2．9 3．3 1．1 5．5 5．5 7．9
6# 實驗值13．125 9．699 7．836 4．422 2．455 1,012
rd=0．02mm計算值
1l·865 8·521 7_054 4'765 2·23l lt231
、
偏差，％ 5．0 6．4 5．2 3．7 4．7 5．5
表9圓柱形氣云爆燃的超壓實驗值與計算值(kPa)
Table 9 Experimental data andnumerical results ofdeflagration overpressure ofcylinder gas cloud
rim ￡O．1 0．2 0．3 0．4 0．5 0．6
實驗值O．2734 O．4008 O．5951 0．7145 0．7122 0．7100
1．2 計算值o．3011 O．3921 O．5514 O．6927 O．6854 O．6822
誤差／％ 4．8 1．1 3．8 1．5 1．9 2．0
實驗值O．2375 0．3756 O．5435 0．6327 0．6186 0．6266
1．6 計算值0．2401 0．3872 O．5121 0．5021 O．4562 0．4325
誤差胍0．5 1．5 2．9 11．5 15．1 18．3
162
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
附錄2半球形可燃氣云爆燃二維數學模型的推導
本文數學模型來源于文獻[92]所述的流體力學控制方程的標準形式，它的推導過程
可參見該文獻。這里僅敘述由該標準形式到本文數學模型的簡化過程。
(1)連續性方程的簡化
連續性方程的標準形式為： 望+志[掣下a(puersinS)at sin +掣]_o (1)
r2 曰。aP a療艦。、’
本文數學模型為二維形式，即
笪：0
齜
因此，本文連續性方程簡化為：
竺+—L!坦：：!塑蟲+—1_!也!：墅生：o
af ，2 sin口ar ，2 sin口a占
(2)動量方程的簡化。
r方向動量方程的標準形式為： 戶(+下魯a(P怛eTs等inO)++掣等一等r咖口+(志p卯告+p。一)】華]_p‰+志c掣 a目艦”?”
忽略重力的影響，則
pE，=0
然后根據式(2)，變成二維形式，則式(4)變成： P(魯q等+等等一爿=志c掣+掣?in口蹦
(4)
大堡里三查蘭苧主蘭垡壘蘭—一(5)
其中： 臚訓2饞二一南c學+學)]
m嘞=∥B等十警一爿
臚訓z盧島+等一上3r2 sinO
c —O—(．p——u—,—r—2—．s—m—．．O—)．+。O—(．p．—u—e—r．—s—i—a——O——)
ar a曰
(6)
同理：推導出日方向動量方程為： pf等蝎警+等等+㈢=志c掣+掣?in‰，c7，
(3)能量方程的簡化
能量方程的標準形式為：
pf警q警+了u8麗OH十五u證2目O融H)，=丟品去(r2 sinOk罟r)
+品(sin船囂)+瓦O I(麗k瓦OT'j】+、PQ+老+9
上式變為二維形式為：
r掰OH．％OH 1
Pl百+Ur石+亨面j
因此
志c*s舭罰
+芻(m目t等]]+加+去+妒
(8)
(9)
由于可燃氣云爆燃過程中，超壓很低(kPa量級)，氣體膨脹作功可以忽略不計
塑：o
出
(10)
式(9)中包括系統外的傳熱Q與源項妒，在可燃氣云爆燃過程中，這兩項相加等
164
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
于氣云爆燃過程中單位時間內放出的熱量，即
pQ+q,=如可
同時，有
翌：C。一OT； at p 0t。iOH=Cp c。3T，一； 一aH：r塑a曰。’a目
把式(10)～式(12)代入到式(9)中，得到：
(11)
(12)
pc飛(o西r叫石aT}u，e aOT目，''I=忑≥雖(r,siook等)+品(sin臼尼囂]，+％g ct，，
(4)組分方程的簡化
組分方程的標準形式來自文獻[81]，其形式為
尸(詈q警+了uo歷OY+』rsinLO叢a&amp;amp;j]；再b唔(^in∞警)
+旦(s誼∞堡]+擊(旦sinOao oo sin0籌)]+妒＼ ／規L 覷／。+
本文求解的組分方程，求解對象為可燃氣濃度％，并上把簡化成二維形式
(14)
P(魯蚺警}u，o 0馴t'^1=而1 c導㈠in∞警]+品(sin目。等)№∞，
可燃氣云爆燃過程中，上式的源項妒等于單位時間、單位體積可燃氣的消耗量，
等于燃燒速率Rfu，因此，式(15)的最終形式為：
p(警q警+塑r盟ao])=志雖(，2sin口。警]+芻(s惱口。等]，+‰㈣，
165
大連理工大學博士學位論文
附錄3半球條柵形障礙物正交實驗數據
(I)A1BlCl：R=0．50m，，=o．10m，b=15mm,bo=15ram，廬=0．5，C=13．3％
(2)AIBlC2：R=0．50m,r=O．10m，b=15mm,b0230mm，廬20．67，C‘13，3％
(3)A181C3：R=-0．50re,r=0．10Ⅱ1，b=15mm,bo=45mm,曲=o．75，C‘13．3％
(4)A182CI：R=0．50re,r=0．10n'h b=30mm，bo=15n'ma,咖=0．34，c=13．3％
d(rrl) 實驗1值實驗2值平均值
O．7
0．9
1．t
1．5
4．270
3．950
3．578
3．009
166
4．169
3．836
3．486
2．827
4．220
3．893
3．532
2．918
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
2．7
3．5
1．658
0．688
1．477
0．690
1．568
n689
(5)A182C2：R=0．50re,r=0．10m,b=30mm，bo=30mm,西卸．5，6"=13．3％
(6)A182C3：R=-0．50m，r=O．10m，b=30mm,bo--=45mm，曲卸．6，C=13．3％
d㈤實驗1值實驗2值平均值
(7)AIB3CI：R--0．50m,,E0．10m,b=45mm，bo=15mm,廬卸．25，C‘13．3％
(8)A183C2：R=0．50re,r=0．10m,b=45mm，bo=30mm,垂=o．4，C=-13．3％
d㈤實驗1值實驗2值平均值
0．7
o．9
1_1
1．5
4．082
3．654
3．541
2．512
167
4．172
3．826
3．356
2．556
4．127
3．740
3．449
2．534
大連理工大學博士學位論文
2．7
3．5
1．462
0．585
1．492
0．579
1．477
O．582
(9)A183C3：R=0．50re,r=0．10m,b=45mm,bo=45mm,咖=0．5，C=13．3％
(10)A281C1：R=0．50re,r=0．ZOrn,6=15mm,bo=15mm,曲=0．5．C=13．3％
(11)A281C2：R=o．50re,r-'--0．20m，6=15mm，bo=30mm,曲=0．67，6'=13．3％
(12)A2BIC3：R=0．50m，F0．20m,6=15mm,bo=45mm,廬=0．75，C=13．3％
∞n) 實驗1值實驗2值實驗3值平均值
o．7
0．9
1．1
1．5
4．839
3．987
2．938
2．069
168
5．801
4．460
3．704
2．951
5．923
4．836
3．568
2．885
5．521
4．428
3．403
2．635
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
2．7
3．5
1．328
0．644
2．065
0．968
1．996
O．93l
1．796
0．848
(13)A282Ch R=0．50re,r--0．20m,b=30mm,bo=15tuna,廬=o．34，c=13．3％
(14)A282C2：R=0．50m，Fo．20m,b=30nma,bo=30mm,廬=0．5，cq3．3％
(15)A282C3：R=0．50m,r-=0．20m,b=30mm,bo=45mm,曲=0，6．C‘13．3％
f16)A283Cl：R=0．50re,r=0．20m，b=45rrma,bo=15mm，西卸．25，C墾13．3％
砸m) 實驗1值實驗2值實驗3值平均值
0．7 19．33 1 19．828 18．006 19．055
0．9 18．826 17．530 16．976 17．777
1．1 11．465 11．139 10．207 10．937
1．5 9．675 9．672 9．012 9．453
169
大連理工大學博士學位論文
2．7
3．5
3．862
3．346
2．939
2．089
3．479
2．198
3．426
2．544
(17)A283C2：j仁0．50m,r=0．20m,b=,C5mm,bo=30mm,曲；O．4．C‘13，3％
(18)A283C3：R=0．50m，r=O．20m,b=45mm,bo=45nma,廬=O．5，c‘13．3％
(19)A3BICI：R=0．50m,r=0．30m,b=15mm,bo=15mm,西=0．5．c：=13．3％
(20)A3BIC2：R=0．50m'滓0．30m,b=15mm,bo=30mm,廬=0．67，c‘13．3％
d㈦
．7
．9
．1
，5
實驗1值實驗2值平均值
33．894
29．011
13．584
10．926
170
34．326
29．820
16．063
8．486
34．110
29．416
14．824
9．706
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
2．7
3．5
4．958
3．564
5，495
3．855
5．226
3．710
(21)A3BIC3：R=0．50m，FO．30m,6=15ram，bo=45rnm，毋=0．75，C=13．3％
(22)A382C1：R=0．50m,r=0．30m，b=30rnm，bo=15ram，廬=o-34，c‘13．3％
(23)A382C2：R=0．50m，FO．30m，6=30mm，bo=30mm，廬=0．5，6'=13．3％
(24)A382C3：R=0．50m，F0．30m，b=30mm，bo=45mm,曲20．6，c‘13．3％
a(ra) 實驗1值實驗2值平均值
0
O
l
1
7
9
1
5
31．988
20．585
13．548
8．587
17l
33．465
22_817
14．537
8，530
32．727
2L701
14．042
8．559
大連理工大學博士學位論文
2．7
3．5
6．018
3．024
6．475
4．569
6．246
3．797
(25)A383C1：R=-0，50m,r=0．30m,-b=45ma'n,bo=15mm,曲=0．25，C=13．3％
(26)A383C2：R=O．50m，F0．30m,b=45mm，bo=30mm,4'---0．4，C=13．3％
(27)A383C3：．R--0．50m，r=O．30m，b=45mm，bo=45mm，曲=O．5，C=13．3％
172
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
附錄4半球條柵形障礙物實驗數據
障礙物參數距離Ap沁a)
綰呈墨! ! 竺!d曲、． 塞竺堡!塑堡
0．7 4．105 4．306 4．206
01 500 100
02 500 100
03 500 i00
94 500 100 30
500 100 30
0．9 3．669 4．067
15 0．5
1．1 3·28l 3．680
1．5 2．411 2．68l
2．7 1．487 l_609
3．5 0．529 0．718
0．7 3．799 3．971
0．9 3．200 3．793
30 0．67
1．1 3．456 3．274
1．5 2．544 2．251
2．7 1．389 1．285
3．5 0．565 0．486
O．7 3，020 3．633
0．9 2．980 3．038
45 O．75
1·1 2．875 3·167
1．5 2．215 2．178
2．7 1．179 1．226
3．5 0．568 0．384
0．7 4．270 4．169
0．9 3，950 3．836
15 0．34
1·1 3·578 3．486
1．5 3．009 2．827
2．7 1f658 1．477
3．5 0．688 0．690
30 0．5 0．7 4．080 4．178
0．9 3．886 3．767
1．1 3．613 3．425
1．5 2．417 2．642
173
3．868
3．48l
2．546
1．548
0．624
3．885
3．497
3．365
2．398
1．337
0．526
3．327
3．009
3．021
2．197
1．203
0．476
4．220
3．893
3．532
2．918
l_568
0．689
4．065 4．108
3．11l 3．588
3．222 3．420
2．476 2．512
查壟望三查蘭墮主堂垡絲莖
06 500 100 30 45 0．6
07 500 100 45 15 0，25
08 500 100 45 30 0．4
09 500 100 45 45 0．5
500 100 60 30 0．34
174
2．7 1．473 1．567 1．307 1．449
3．5 0．876 0．443 0．369 0．563
0．7 3．945 3．985 3．965
0．9 3．641 3．513 3．577
1，1 3．301 3．403 3．352
1．5 2．404 2．604 2．504
2．7 1．346 1．276 1．311
3．5 0．589 0．343 0．466
O．7 4．282 4．172 4．227
0．9 3．867 3．989 3．928
1．1 3，527 3．592 3．560
1．5 3．260 3．296 3．278
2．7 1．760 1．539 1．650
3．5 0．782 0．797 0．790
0．7 4．082 4．172 4．127
0．9 3．654 3．826 3．740
1．1 3．541 3．356 3．449
1．5 2．512 2．556 2．534
2．7 1．462 1．492 1．477
3．5 0．585 0．579 0．582
O．7 3．874 4．335 4．105
0．9 3．199 3．973 3．586
1．1 2．982 3．652 3．317
1．5 2．340 2．532 2．436
2．7 1．321 1．350 1．336
3．5 0．494 0．453 0．474
0．7 4．095 4．759 4．427
0．9 3．466 4．140 3．803
1．1 2．960 3．523 3．242
1．5 2．630 2．878 2．754
2．7 L280 1．584 1．432
3．5 0．833 0．614 0．724
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
11 500 200 15 15 0．5
500 200 15 30 0．67
500 200 15 45 0．75
14 500 200 30 15 0．34
500 200 30 30 0．5
500 200 30 45 0．6
175
O．7 18．157
O．9 15．309
1．1 8．627
1．5 7．255
2．7 3．654
3．5 2．158
0．7 7．010
O．9 6．66l
1．1 4．907
1．5 4．372
2．7 3．126
3．5 1．939
O．7 4．839
0．9 3．987
1．1 2．938
1．5 2．069
2．7 1．328
3．5 0．644
O．7 12．548
O．9 9．210
1．1 6．640
1．5 5．681
2．7 2．995
3．5 1．928
0．7 11．069
0．9 9．703
1．1 4．751
1．5 4．150
2．7 2．184
3．5 1．382
O．7 4．378
O．9 3．788
19．703 16．262 18．041
14．280 11．520 13．703
10．503 8．585 9．238
6．879 5．397 6．510
3．487 2．817 3．319
2．623 I．460 2．080
7．827 8．549 7．795
5．629 7．611 6．634
4．134 6．253 5．098
3．454 5．995 4．607
2．309 4．163 3．199
2．138 2．746 2．274
5．801 5．923 5．521
4。460 4．836 4．428
3．704 3．568 3．403
2．951 2．885 2．635
2．065 1．996 1．796
0．968 0．93 l 0．848
14．599 13．202 13．450
12．741 11．283 11．078
8．533 7．496 7．556
5．527 4．535 5．248
3．912 2．966 3．291
2．505 2．588 2．340
8．253 10．596 9．973
6．979 8．106 8．263
4．075 4．738 4．521
3．002 3．324 3．492
1．773 l-854 1．937
1．308 1．552 1．414
5．504 6．039 5．307
4．282 4．842 4．304
查壟望三查蘭墮圭堂垡堡奎
500 200 30 60 0．67
250 200 15 15 0，5
250 200 15 30 0．67
20 500 200 45 15 0．25
500 200 45 30 0．4
176
1．1 2．719
1．5 1．808
2．7 1．491
3．5 O．819
0．7 5．100
0．9 4．130
1．1 2．819
1．5 2．483
2．7 1．348
3．5 0．761
O．35 7，078
0．45 6．643
0．55 5．240
0．75 4．766
1．35 1．675
I．75 1．241
O．35 5．578
0．45 4．865
0．55 3．904
0．75 3．586
1．35 0．956
1．75 0．232
O．7 19．33l
O．9 18．826
1．1 11．465
1．5 9．675
2．7 3．862
3．5 3．346
O．7 7．254
0．9 6．957
1．1 4．537
1．5 2．947
3．094
2．608
1．308
0．81l
4．816
3．586
2．791
2．380
1．212
0 705
8．884
7．430
6．958
4．690
2．800
2．006
6．245
5．327
4．310
3．419
1．123
0．209
19．828
17．530
1I．139
9．672
2．939
2．089
6．531
6．419
3．040
2．874
3．356
3．297
1．493
0．862
4．763
3．845
2．818
2．337
1．265
0．776
9．713
9．754
8．327
6，457
3．191
2．232
18．006
16．976
10．207
9．012
3．479
2．198
8．060
6．976
4．041
3．07l
3．056
2．571
1．431
O．831
4．893
3．854
2．809
2．400
1．275
0．747
8．558
7．942
6．842
5．304
2．555
1．826
5．912
5．096
4．107
3．503
1．039
O．221
19．055
17．777
10．937
9．453
3．427
2．544
7．282
6．784
3．873
2．964
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
22 500 200 45 45 0．5
23 750 200 0．5
24 500 200 60 15 0．20
25 500 200 60 30 0．34
26 500 200 60 45 O．43
177
2．7 1．860
3，5 1．201
0．7 5-341
0．9 4．659
1．1 3．314
1．5 3．229
2．7 1．466
3．5 0．882
1．05 10．545
1．35 8．194
1．65 6．464
2．25 4．503
4．05 2．625
5．25 2．613
O．7 20．224
O．9 19．137
1．1 12．179
1．5 9．722
2．7 3．543
3．5 3．216
O．7 14．268
O．9 13．375
1．1 6．138
1．5 5．092
2．7 2．483
3．5 1．878
0．7 7．095
0．9 4．468
1．1 2．972
1．5 2，274
2．7 1．566
3．5 0．768
1．836
1．094
7．292
5．185
3．760
Z907
1．495
1．029
14．284
10_372
7．768
4．724
2．746
1．753
20．590
18．245
10．536
9．736
3．392
3．545
10．593
10．551
5．554
4．420
2．075
1．682
5．216
3．536
2．491
2．343
l‘22l
0．568
2．147 1．948
1．292 1．196
5．873 6．169
4．442 4．762
3．221 3．432
3．464 3．200
1．622 1．528
0．834 0．915
11．547 12．415
8．848 9．283
6．745 7．116
4．835 4．613
2．777 2．686
2．701 2．183
20．478 20．431
18．943 18．775
11．313 11．343
9．480 9．646
3．928 3．621
3．049 3．270
13．992 12．951
10．779 11．568
8．900 6．864
5．358 4．957
2．297 2．285
2．088 1．883
5．944 6．085
4．296 4．100
3．143 2．869
2．427 2．348
1．287 1．358
0．791 0．709
大連理工大學博士學位論文
27 500 200 60 60
28 500 250
29 500 250 15 30
30 500 250 15
500 250 30
32 500 250 30 30
O．7 4．816 4．646 4．138 4．533
0．9 3．423 4．210 3．333 3．655
0．50
1．1 2．426 2．996 2·644 2·689
1．5 1．692 2．867 2．305 2．288
2．7 1．350 1．473 1．126 1．316
3．5 0．505 0．803 0．558 0．622
0．7 3I-313 34．160 32．737
0．9 23．126 25．468 24．297
0．50
1．1 13-153 11．458 12_306
1．5 9．707 9．706 9．707
2．7 9．802 8．401 9．102
3．5 3．344 3．964 3．654
0．7 14．204 15．640 14．922
0．9 9．254 10．078 9．666
0．67
1·1 7·241 8·701 7·971
1．5 4．302 3．803 4．053
2．7 2．955 2．032 2．494
3．5 2．554 1．512 2．033
0．7 7．392 7．035 7．214
0．9 7．179 6．716 6．948
0．75
l·1 7．104 3．043 5·074
1．5 4．376 2．849 3．613
2．7 3．555 2．365 2．960
3．5 1．739 1．823 1．781
0．7 29，686 30．140 29．913
0．9 25．417 25．250 25．334
O．34
ltl 21·620 16·992 19·306
1，5 11．118 11．417 11．268
2．7 9．471 8．434 8．953
3．5 3．376 3．378 3．377
0．50 0．7 19．517 18，787 20．162 19．489
0．9 16．745 15．174 i7．965 16．628
178
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
33 500 250 30 45 0．60
34 500 250 O．25
500 250 45 30 0．40
36 500 250 30 30 0．50
37 500 250 60 30 0．34
179
l_1 10．733
1．5 6．173
2．7 3．693
3．5 3．120
0．7 10．487
O．9 9．378
1．1 6_304
1．5 3．083
2．7 2．370
3．5 1．446
0．7 35．653
0．9 23．228
1．1 15．575
1．5 10．798
2．7 7．390
3．5 6．411
O．7 31．099
0．9 23．082
1．1 11．690
1．5 9．221
2．7 8．647
3．5 3．471
O．7 9．314
0．9 8．861
1．1 4．859
1．5 3．585
2．7 2．237
3．5 1．705
O．7 29．259
O．9 25．981
1．1 14．583
1．5 9．894
9．165 10．134 10．011
6．779 7．248 6．733
3．443 3．805 3．647
3．075 3．774 3．323
6．622 8．555
6．584 7．98l
4．103 5．204
2．850 2．967
1．548 1．959
1．348 1．397
33．551 34．602
27．879 25．554
16．438 16．006
11．663 11-231
11．852 9．621
6．314 6．363
25．105 28．102
24，873 23．978
17．181 14．436
10．198 9．710
1．871 5．259
6．112 4．792
8．973 9．144
7．763 8．312
4．892 4．876
3．535 3．560
2．335 2．286
1．476 1．591
28．057 28．658
26．382 26．182
10．232 12．408
8．481 9．188
大連理工大學博士學位論文
38 500 300 O．5
39 500 300 15 30 0．67
40 500 300 15 45 0．75
41 500 300 30 15
42 500 300 30 30
0．34
O．50
180
2．7 5．987 6．552 6．270
3．5 3．859 4．901 4．380
0．7 35．506 35．519 35．513
0．9 32．949 31．499 32．224
1．1 30．215 29．017 29．616
1．5 12．403 11．306 11．855
2．7 9．933 9．756 9．845
3．5 9．080 8．695 8．888
0．7 33．894 34．326 34．110
0．9 29．011 29．820 29．416
1．1 13．584 16．063 14．824
1．5 10．926 8．486 9．706
2．7 4．958 5．495 5．227
3．5 3．564 3．855 3．710
0．7 13．224 14．272 13．748
0．9 11．214 13．428 12．321
1．1 6．622 6．464 6．543
1．5 4．428 5．419 4．924
2．7 2．869 3．956 3．412
3．5 2．711 2．898 2．805
0．7 36．221 34．764 35．493
0．9 35．055 33．193 34．124
1．1 27．542 24．582 26．062
1．5 17．025 16．045 16．535
2．7 10．011 9．880 9．946
3．5 9．872 9．478 9．675
0．7 34．133 34．141 34．905 34．393
0．9 29．380 34．038 25．963 29．794
1．1 16．932 19．516 22．412 19．620
1．5 9．691 9．694 9．697 9．694
2．7 9．552 6．141 7．688 7．794
3．5 6．659 6．654 5．709 6．341
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
43 500 300 30 45 0．60
44 500 300 45 15 0．25
45 500 300 45 30 0．40
46 500 300 45 45 0．50
47 500 300 60 30 0．34
48 750 200 15 30 O．67
18l
O．7 31‘988
O．9 20．585
1．1 13．548
1．5 8．587
2．7 6．018
3．5 3．024
O．7 39．241
0．9 36．926
1．1 34．897
1．5 17．081
2．7 9．255
3．5 9．521
0．7 34．980
0．9 28．560
1．1 18．987
1．5 8．889
2．7 7．02l
3．5 4．258
0．7 33．125
0．9 28．116
1．1 17．914
1．5 9．719
2．7 7．009
3．5 4．350
0．7 36．010
O．9 35．022
1．1 23．958
1．5 11．302
2．7 10．059
3．5 9．680
1’05 6．115
1．35 5．856
33．465
22．817
14．537
8．530
6．475
4．569
37．406
34．035
33．362
15．874
10．162
9．872
33．247
34．961
16．598
10．530
9．539
7．282
29．155
30．956
15．494
8．719
6．855
5．863
34．892
33．187
23．651
8．712
9．360
9．698
5．851
5．437
32．727
21．701
14．043
8．559
6．247
3．797
38．324
35．481
34．130
16．478
9．709
9．697
34．114
31．761
17．793
9．710
8．280
5．770
31．140
29．536
16．704
9．219
6．932
5．107
35．45l
34．105
23．804
10．007
9．709
9．689
5．983 6．115
5．647 5．856
大連理工大學博士學位論文
49 1000 200
50 1000 200
1250 200
52 1250 200
53 500 200 30
O．5
30 0．67
15 O．5
30 0．67
75 O．72
182
1．65 4．79l 3．661 4．226 4．791
2．25 3．260 3．100 3．180 3．260
4．05 2，367 2．018 2．192 2．367
5．25 1．859 1．741 1．800 1．859
1．40 9．852 10．085 8．462 9．466
1．80 7．124 7．708 6．887 7．240
2．20 5．749 6．097 5．841 5．896
3．00 4．024 3．843 3．191 3．686
5．40 2．423 2．290 2．308 2．340
7．00 1．646 2．190 2．154 1．997
1_40 4 888 5．125 5．007
1．80 3．988 4．896 4．442
2．20 3．776 2．713 3．245
3．00 2．404 2．251 2．328
5．40 1．663 1．856 1．759
7．00 1．542 1．280 1．411
1．75 8．447 7．587 8．017
2．25 7．137 6．474 6，805
2．75 5．230 4．921 5．076
3．75 2．92l 3．525 3．223
6．75 2．107 2．288 2．198
8．75 1．512 1．886 1．699
1．75 6．906 7．054 6．980
2．25 6．344 6．025 6．184
2．75 5．763 5．53 1 5．647
3．75 l_788 2．805 2．297
6．75 1．400 1．741 1．571
8．75 0．952 1．533 I．242
0，7 3．730 4．514 3．282 3．842
0．9 3．751 3．667 2．983 3．467
1．1 3．295 2．520 2．099 2．638
1．5 2．627 2．428 1．895 2．317
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
54 500 200 30 90 0．75
500 200 45 90 0．67
56 500 500 15 45 0．75
57 500 500 30 30 0．50
58 500 700 15 45 0．75
183
2．7 l-402
3．5 0．566
O．7 4．000
0．9 3．238
1．1 2．678
1．5 l-428
2．7 1．054
3．5 O．633
O．7 3．601
0．9 3．530
1．1 2．183
1．5 I．410
2．7 1．000
3．5 0．809
0．7 9．767
O．9 7．010
1．1 4．404
1．5 3．078
2．7 1．381
3．5 0．935
O．7 9．504
0．9 9．126
1．1 4．195
1．5 3．997
2．7 1．633
3．5 1_110
O．7 5．607
O．9 6．005
1．1 5．515
1．5 3．745
2．7 2．205
3．5 0．557
1．296
0．663
3．432
3．183
2．118
0．887
0．723
0．427
4．013
3．650
2．441
1．369
O．951
0．691
8．648
7．585
7．125
3．614
1．516
0．748
11．193
9．537
5．900
3．924
2．335
1．936
3．944
5．401
5．035
2．595
1．720
0．878
0．866
0．569
14．288
9．065
5．114
3．226
1．498
1．248
1．188
0．599
3．716
3．211
2．398
1．158
0．888
0．530
3．807
3．590
2．312
1．390
0．976
0．750
9．208
7．298
5．765
3．346
1．448
0．842
11．662
9．242
5．069
3．716
1．822
1．431
4．776
5．703
5．275
3．170
1．963
O．717
盔壟里三查堂苧主堂垡絲壅
59 500 700 30 30 0．50
60 500 900 15 45 0．75
500 900 30 30 0．50
62 250 0 0 100
63 500 0 0 100
64 750 0 0 100
184
0．7 4．913
O．9 9．185
1．1 5．898
1．5 2．797
2．7 2．253
3．5 1．858
0．7 3．644
0．9 4．613
1．1 8．008
1．5 3．783
2．7 0．500
3．5 0．359
0．7 2．057
0．9 2．228
1．1 4．164
1．5 1．721
2．7 0．818
3．5 0．289
O．35 3．365
0．45 2．287
0．55 1．277
0．75 0．637
1．35 0．421
1．75 0．261
O．7 3．342
0．9 2．934
1．1 2．215
1．5 2．011
2．7 0．869
3．5 0．378
1．05 3．684
1_35 2．902
4．286
7．114
5．689
2．440
1．920
l-577
3．069
5．582
5．861
1．164
0．685
0．361
2．327
2．480
3．946
1．949
O．840
0．319
2．540
1．205
I．195
O．521
0．346
0．255
3．667
3．431
2．988
2．570
1．513
0．524
3．552
2．867
4．599
8．149
5．794
2．619
2．086
1．718
3，357
5．097
6．934
2．474
0．593
0．360
3．436 2．606
3．311 2．673
5．236 4．448
1．605 1．758
0．943 0．867
0．400 0．336
2．577 2．827
2．218 1．903
1．803 1．425
1．552 0．904
0．660 0．476
0．573 0．363
2．967 3．326
2．589 2．985
2．467 2．557
1．995 2．192
1．107 1．163
0．493 0．465
3．912 3．716
2．931 2．900
塑翌整箜塞墨竺!旦塑墨墨堡塑塑壅里塞
65 1000 0
66 1250
1．65 2．382 2．597 2．218 2．399
2．25 1．903 1．633 1．912 1．819
4．05 0．85 l 0．822 0．862 0．845
5．25 0．741 0．749 0．751 0．747
1．40 4．294 4．503 4．787 4．528
1．80 3．848 3．996 3．967 3．937
O 100
2．20 2．912 2·901 2·620 2·811
3．00 1．602 1．483 1．454 1．513
5．40 0．71 l 0．721 0．680 0．704
7．oo 0．280 0．271 0．301 0．284
1．75 6．402 6．438 6．414 6．418
2．25 5．712 5．738 6．112 5．854
0 O 100
2·75 3-901 3～．86 3·952 3·913
3．75 1．572 1．593 1．605 1．590
6．75 0．711 0．703 0．686 0．700
8．75 0．428 0．431 0．458 0．439 ——1。-———‘-“。·—‘。‘‘‘?—’‘。‘’’+1一注：62"-66#實驗為無障礙物實驗
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大連理工大學博士學位論文
致謝
本文是在丁信偉教授悉心指導下完成的。從論文選題、研究方案設計到論文寫作，
都凝聚著他的大量心血。他的嚴謹求實、一絲不茍的工作作風，勇于創新的精神，給
我樹立了榜樣，將對我的一生工作、學習具有深遠的影響。在此，我向導師致以最崇
高的敬意和深深的感謝!
本文研究工作隸屬于畢明樹教授所承擔的國家自然基金項目，是在他的直接指導
下完成的。在此感謝他對我科研能力的嚴格培養，以及對我生活上的關切關懷。
感謝李生娟，邵衛，叢立新等同學對我論文實驗中的大力支持。感謝高光蕃、陳
彥澤、宋占兵等師兄弟們，與他們間的學術討論使我受益菲淺，生活上的關心也使我
感覺到了集體的溫暖。
感謝大連理工大學化工過程與裝各教研室的全體老師。在論文研究工作中，得到
了所有老師的大力幫助與支持。
感謝我的愛人、父母及家人，他們的支持是我克服困難，完成學業的重要的精神
支柱。
最后，再次向所有關心、支持、幫助我的人們表達我衷心的感激之情!
楊國剛
二OO五年四月于大連
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
作者攻讀博士學位期間發表的相關論文
1_Guogang Yang，Xinwei Ding，Mingshu Bi，shen萄啪Li and Abuliti Abudula，Experimental studies
ofthe effect ofhemisphere barriers On explosion ofgas cloud．The Fourth Asia-Pacific Conference 011
Combustion，2003，457--459，Najiag，China(ISTP收錄：BY87X)
2．Mingshu Bi，Shengjuan Li，Xinwei Ding，GuogangYang．Experimental咖ay On i_rlfluenee ofplate
obstacle Oil semi—spherical flammable gas cloud explosions．啊∞Fourth Asia-Pacifle Conference on
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大連理工大學博士學位論文
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學位論文。
作者簽名：趁!丑型
指導教師簽名
進年上月絲日
軸對稱約束條件下可燃氣云爆燃強度研究
作者： 楊國剛
學位授予單位： 大連理工大學
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相似文獻(10條)
1.期刊論文楊國剛.岳丹婷.畢明樹.YANG Guogang.YUE Danting.BI Mingshu 圓柱形可燃氣云爆炸實驗研究與數值
模擬-化工學報2008,59(11)
與半球形可燃氣云模型相比,圓柱形模型更接近于氣云爆炸事故的實際情況.進行了乙炔濃度7.75%、氣云體積0.26m3的圓柱形可燃氣云爆炸實驗,記
錄了距氣云中心1.2 m與1.6 m兩點的爆炸超壓.建立了描述氣云爆炸的理論模型,采用SIMPLE算法編制了計算程序.計算結果經實驗數據考核,最大與平均
相對偏差分別為18.3%與5.4%,證實程序滿足氣云爆炸模擬與預測的要求.研究結果顯示:爆炸流場不具備球形對稱的性質,爆炸超壓與火焰傳播方向有關
,當氣云高徑比0.2時,沿地面方向的最大超壓可達垂直方向的3.3倍;氣云體積不變而形狀變化時,爆炸強度隨著高徑比的增大而增大,高徑比1.0時的最大
超壓可達高徑比0.1時的3.1倍;氣云高徑比降低時,火焰傳播距離增大,燃燒時間增長,氣云釋能速率下降,因此爆炸超壓降低.研究結果對可燃氣云爆炸災
害的預測具有一定的指導意義.
2.期刊論文楊國剛.薛東嶺開敞空間可燃氣云爆炸的數值模擬與實驗研究 -化學工程師2004,18(7)
基于改進的Bakke-Hjertager燃燒模型與相應的控制方程,建立了描述可燃氣云爆炸的理論模型.采用SIMPLE算法,對氣云爆炸場進行了數值模擬.以
0.02mm厚度的聚乙烯薄膜為約束物,進行了半球形乙炔/空氣預混氣云爆炸實驗.實驗分別在0.5、0.75、1、1.25m4個氣云半徑下進行,數據采集系統記錄
了超壓分布.計算超壓與實驗值相比較,最大偏差為11.9%,平均偏差為4.14%.結果表明,本文方法可以用來預測可燃氣云爆炸強度.
3.學位論文邵華鑫 可燃氣云爆炸壓力場的實驗研究 2005
本文以乙炔-空氣混合氣為介質,對內置半球球帶形障礙物對爆炸壓力場的影響進行了實驗研究.主要工作和結論如下:(1)設計了有壓力變送器、數據
采集卡和計算機組成的開敞空間可燃氣云爆炸場的測試系統,采用電火花點火,建立了可燃氣云爆燃實驗系統.(2)通過正交實驗和方差分析,確定了半球球
帶形障礙物的兩個特性參數:半徑r和屏蔽角α,它們對爆炸超壓都有顯著影響,而它們的交互作用對超壓的影響不顯著.(3)針對障礙物的每個特性因素對
超壓的影響進行了實驗,確定了各影響因素對爆炸超壓的作用規律.超壓隨氣云半徑R和障礙物半徑r、屏蔽角α的增大而增大,隨測點距離d和空隙率φ的
增大而減小.(4)對實驗數據進行了擬合回歸分析,得到爆炸超壓△p與障礙物特性參數(r,φ)及氣云半徑R和測點距離d之間的擬合方程,從擬合方程中得出
的超壓與影響因素間的關系與每個特性因素對超壓影響的實驗的結論一致.并通過無量綱分析和方差檢驗,驗證了擬合方程與實驗數據的相關性.(5)引入
多能模型思想,綜合考慮邊界條件、混合物性質和尺度比例因子,提出了約束條件參數組合方式,得到了內置半球球帶形障礙物的開敞空間可燃氣云的爆炸
超壓關系式.為可燃氣云爆炸場的預測提供了依據.
4.期刊論文楊國剛.WU Gui-tao.畢明樹.DING Xin-wei.YANG Guo-gang.WU Gui-tao.BI Ming-shu.DING Xin-wei
非均勻分布可燃氣云爆炸威力分析 -石油學報（石油加工）2008,24(4)
以高斯分布氣云為例,研究了非均勻分布町燃氣云爆炸的威力與機理,并與相同泄漏量的均勻分布可燃氣云爆炸進行了對比分析.結果表明,當高斯分
布町燃氣云爆炸時,由于其可燃氣體濃度偏離最危險濃度,燃燒速率降低,火焰維持不了自加速運動.對火焰陣面前的氣體擾動較小.不會產生較強的沖擊波
.泄漏量為2228.2 m3的乙炔形成的2種高斯分布氣云爆炸時,最高超壓分別為4.3、1.8 kPa,最多具有使玻璃窗破碎的破壞能力.當同樣泄漏量的乙炔形成
半徑20 m、乙炔體積分數為13.3%的均勻分布氣云爆炸時,町產牛42.3 kPa的最大超壓,具有使磚墻倒塌的破壞能力.因此,在工業現場發生可燃氣體泄漏時
,首要任務是避免泄漏氣體形成混合良好的均勻可燃氣云.
5.期刊論文王淑蘭.嚴清華.李岳.周崇密閉空間內局部可燃氣云爆炸的數值模擬 -石油與天然氣化工2004,33(3)
從流體力學和化學反應動力學方程出發,建立了描述密閉空間內局部可燃氣云爆炸過程的數學模型.應用SIMPLE算法進行求解,得到了密閉空間內局部
可燃氣云一維爆炸場的發展過程,計算結果符合物理現象和規律,說明該數學模型和數值算法較為合理,計算結論對工程設計有參考價值.
6.會議論文陳文瑛 可燃氣云爆炸研究進展 2008
隨著現代工業的發展，生產規模的擴大，以及一些新產業和新技術的出現，使可燃氣云爆燃災害的潛在可能性增加，事故的危害程度進一步增大。
因此，研究可燃氣云爆燃的成災機理，提出防災減災措施，具有重要的現實意義。闡述了現階段可燃氣云爆炸的實驗、經驗方法和理論研究情況。評價
了它們在實際應用中的優越性和局限性。
7.學位論文邵衛 開敞空間可燃氣云爆炸研究 2002
該文的主要工作和結論如下:(1)推導了描述可燃氣云爆炸的3個守恒方程,并進行了合理簡化.利用能量均勻加入法和有限差分技術,編制了半球形氣
云爆炸過程的計算程序.利用該程序計算了爆炸場參數,計算結果表明:①氣云半徑越大,爆炸最大壓力越大;氣云半徑越大,氣云區內部爆炸壓力在能量釋
放過程中增加得越快,在能量釋放完畢以后衰減得也越快;②爆熱越大,爆炸最大壓力越大;爆熱越大,氣云區內部爆炸壓力在能量釋放過程中增加得越快
,在能量釋放完畢以后衰減得也越快.(2)數值方法的可靠性通常用黎曼問題的解析解檢驗,該文以無量綱計算區長度為2,高壓區長度為0.8,狀態參數為
p<,1>=2,p<,2>=1,ρ<,1>=ρ<,2>=1,u<,1>=u<,2>=0條件下的黎曼問題解析解對所編制的爆炸場計算程序進行了考核,結果表明該程序的計算誤差在9﹪以
內;為考核該文計算模型預測開敞空間氣云爆炸的適用性,以文獻[8]的實驗數據進行了校核,計算誤差在1 3﹪以內.(3)該文設計了由壓力變送器、數據采
集卡、計算機和電火花裝置組成的測試系統,建立了可燃氣云爆燃實驗系統;以化學計量濃度的乙炔-空氣混合物為實驗介質,在正交實驗的基礎上,對半球
形氣云內部與氣云同心的半球形多孔障礙物對火焰的加速作用進行實驗研究,并歸納出爆炸超壓與其影響因素之間的關系;同時還考察了障礙物數量對爆
炸超壓的影響.①障礙物半徑和障礙物空隙率對爆炸超壓影響非常顯著.②對于單個障礙物,氣云半徑和障礙物半徑不變時,隨著障礙物空隙率增大,爆炸超
壓逐漸減小.在r/R<,0>=1.2~4.0的范圍內,爆炸超壓與障礙物半徑及距氣云中心的距離之間的關系為△p=1.23φ-0.87/r(2.11-1.19φ).③對于單個障礙
物,氣云半徑和障礙物空隙率不變時,隨著障礙物半徑增大,爆炸超壓逐漸增大.在r/R<,0>=1.2~4.0的范圍內,爆炸超壓與障礙物半徑及距氣云中心的距離
之間的關系為△p=16.16R<,b><'1.03>/r(0.96+1.65R<,b>).④氣云半徑和障礙物空隙率不變時,隨著障礙物數量增大,爆炸超壓逐漸增大;障礙物數量相同
時,障礙物半徑越大,爆炸超壓越大.
8.期刊論文楊國剛.丁信偉.畢明樹.YANG Guogang.DING Xinwei.BI Mingshu 聚乙烯薄膜對可燃氣云爆炸影響的實
驗研究與數值模擬-化工學報2005,56(1)
聚乙烯薄膜作為約束物,對可燃氣云爆炸有著重要的影響.采用7.8%的乙炔/空氣混合氣進行了實驗研究,薄膜厚度分別為0.02、0.04 mm和0.06 mm,層
數為1～4層.結果顯示,當采用單層厚度0.02 mm的薄膜時,半徑0.5 m的半球形氣云爆炸可產生2.410 kPa的最大超壓;厚度0.06 mm時,最大超壓達到3.642
kPa;薄膜層數為4層時,最大超壓上升到13.125 kPa.建立了描述氣云爆炸的理論模型,模型考慮了薄膜強度、層數對爆炸的影響,采用SIMPLE算法進行了數
值求解.計算結果與實驗值相比較,最大相對偏差14.8%,平均相對偏差4.73%.提出的方法對有弱約束物存在時,氣云爆炸的災害預測具有重要的指導意義.
9.期刊論文畢明樹.叢立新.丁信偉可燃氣云內置障礙物對爆炸沖量場影響的實驗研究 -石油學報（石油加工）
2004,20(6)
設計了內置半球條柵形障礙物的氣云爆燃實驗系統,爆燃過程的壓力-時間曲線由動態響應時間小于1 ms 的數據采集系統通過計算機記錄、儲存與輸
出, 數據采集系統由壓力傳感器、A/D 采集卡和計算機組成.通過編制沖量計算程序,由壓力-時間曲線算得各測點的沖量值.對氣云爆炸沖量場與可燃氣
云濃度、障礙物特性參數之間的關系進行了實驗研究,結果表明,乙炔-空氣混合物的最危險的混合物體積分數為13.3%;障礙物空隙率、半徑、空隙寬度及
條柵寬度對沖量場的影響非常顯著, 而它們之間的交互作用幾乎沒有什么影響.通過曲線擬合和方差分析得到了半球形氣云爆炸沖量場的近似余弦衰減規
律.
10.期刊論文邵衛.畢明樹.丁信偉.任振峰可燃氣云爆炸火焰加速機制的探討 -化工機械2002,29(2)
綜述了可燃氣云爆炸過程中火焰加速機制的研究現狀,討論了幾種火焰加速機理.
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本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y825661.aspx
授權使用：上海海事大學(wflshyxy)，授權號：7cfe9001-b647-435c-a0cf-9e18009e87c2
下載時間：2010年10月23日

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