摘 要

采用入射激波模擬混氣引爆過(guò)程中體系溫度會(huì)出現(xiàn)跳躍式上升隨之向下擾動(dòng)；混氣被引爆后溫度逐步提高，在溫度達(dá)到峰值時(shí)壓力隨之提高；提高初始?jí)毫⒖s短混氣引爆時(shí)間，高的初始?jí)毫梢缘玫礁鼮檠杆俚姆磻?yīng)速度和更高的爆炸壓力；空間尺寸對(duì)散熱作用的影響高于其對(duì)活性基團(tuán)消毀作用的影響，小尺寸空間條件下可以獲得更迅速的爆炸升壓速度。

 摘　要：為定量研究受限空間內(nèi)天然氣爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，開(kāi)展了3個(gè)方面的研究工作，①建立了基于激波管的天然氣爆炸過(guò)程數(shù)值分析模型；②將天然氣氣相燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)分解為53種反應(yīng)組分、325種基元反應(yīng)，給出了朗金一雨貢尼關(guān)系式和正激波的壓強(qiáng)比、密度比和溫度比計(jì)算方法；③利用化學(xué)反應(yīng)模擬軟件CHEMKIN構(gòu)建天然氣燃燒過(guò)程機(jī)理文件，對(duì)激波誘導(dǎo)受限空間內(nèi)天然氣混氣爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了反應(yīng)過(guò)程、初始?jí)毫涂臻g尺寸對(duì)天然氣爆炸過(guò)程的影響，并繪制了天然氣爆炸溫度、壓力變化特征曲線。結(jié)果表明：采用入射激波模擬混氣引爆過(guò)程中體系溫度會(huì)出現(xiàn)跳躍式上升隨之向下擾動(dòng)；混氣被引爆后溫度逐步提高，在溫度達(dá)到峰值時(shí)壓力隨之提高；提高初始?jí)毫⒖s短混氣引爆時(shí)間，高的初始?jí)毫梢缘玫礁鼮檠杆俚姆磻?yīng)速度和更高的爆炸壓力；空間尺寸對(duì)散熱作用的影響高于其對(duì)活性基團(tuán)消毀作用的影響，小尺寸空間條件下可以獲得更迅速的爆炸升壓速度。

關(guān)鍵詞：天然氣爆炸  受限空間  激波  基元反應(yīng)  可壓縮性氣體  數(shù)值分析  動(dòng)力學(xué)模型

Simulation analysis of natural gas explosion within confined space

Abstract：To quantify the kinetics features of natural gas explosion in a confined space，researches were conducted on three aspects．Firstly，a numerical model based on shock wave tubes was established to analyze the process of natural gas explosion．Secondly，kinetic reactions for the combustion of natural gas were divided into 53 reaction components and 325 types of elementary reaction，and the Rankine-Hugoniot Equation，together with methods for the calculation of pressure，density and temperature ratios of normal shocks．were proposed．Thirdly，gas combustion mechanisms were determined by using the chemical reaction simulation software CHEMKIN-PRO to perform numerical simulation of natural gas mixture explosion induced by shock waves in a confined space．Moreover，impacts of reaction process，initial pressure and spatial dimensions on natural gas explosion were reviewed，and characteristic curves for changes in temperatures and pressures during natural gas explosions were generated．Research results show that the system temperatures in the explosion of natural gas mixtures induced by feeding shock waves may increase in leap accompanied by downward disturbances．Upon detonation，temperatures of gas mixtures may increase gradually．Pressures may also increase as soon as the peak temperature is reached．Increases in initial pressures may shorten the detonation time of gas mixtures．In addition，higher initial pressures may generate higher reaction speeds and explosion pressures．With cooling effects of internal walls of the shock wave tubes stronger than the destruction of active groups due to collisions，minor spatial dimensions may generate higher speeds in pressure boosting induced by such explosions．

Keywords：Natural gas explosion；Confined space；Shock wave；Elementary reaction；Compressible gas；Numerical analysis；Kinetic model

可燃性油品或氣體泄漏后在地下暗渠等受限空間內(nèi)聚集遇點(diǎn)火源引發(fā)爆炸是長(zhǎng)輸管道輸送過(guò)程中主要事故模式之一。氣體或蒸氣爆炸反應(yīng)過(guò)程宏觀上受到空間尺寸、混氣濃度、溫度、壓力等因素的作用，致使爆炸壓力和溫度在時(shí)間、空間上具有較大的隨機(jī)性。由于微觀反應(yīng)過(guò)程的多元性、基元反應(yīng)的可逆性以及燃燒過(guò)程的不完全性，使得受限空間內(nèi)爆炸反應(yīng)特征研究工作主要依賴于實(shí)驗(yàn)及仿真模擬等方法。在多步基元反應(yīng)的基礎(chǔ)上研究混氣狀態(tài)和環(huán)境條件對(duì)爆炸特征的影響，對(duì)更加深入掌握受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w(蒸氣)爆炸規(guī)律具有較大的理論研究意義。

影響可燃性氣體(蒸氣)爆炸溫度、壓力變化的主要因素包括化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和環(huán)境條件等2個(gè)方面。難點(diǎn)在于燃燒反應(yīng)過(guò)程的構(gòu)建，多數(shù)可燃物質(zhì)燃燒反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜，一般通過(guò)多步基元反應(yīng)實(shí)現(xiàn)且每一步基元反應(yīng)在微觀上具有可逆性和不完全反應(yīng)性，表現(xiàn)為燃燒產(chǎn)物會(huì)熱分解為初始反應(yīng)物質(zhì)，不完全燃燒產(chǎn)物中含有氫、一氧化碳、甲烷等多種產(chǎn)物[1-2]。在理論模型研究及數(shù)值模擬方面，物質(zhì)燃燒過(guò)程中能量釋放速度計(jì)算的基礎(chǔ)為Arrhenius燃燒模型。王博等在研究密閉受限空間可燃?xì)怏w爆炸特性過(guò)程中采用了Arrhenius燃燒模型來(lái)計(jì)算k-e湍流模型中的源項(xiàng)，但假設(shè)反應(yīng)過(guò)程為單步不可逆反應(yīng)，瞬時(shí)反應(yīng)速度遵守雙分子碰撞模型[3]。在工程應(yīng)用方面，能量釋放過(guò)程計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)估算可燃?xì)庠茍F(tuán)體積乘以烴／空氣混合物在化學(xué)計(jì)量濃度下的燃燒熱值得到可燃混氣的爆炸能量，或者通過(guò)TNT當(dāng)量法計(jì)算[4-5]。已有分析方法的局限性在于不能對(duì)燃燒反應(yīng)過(guò)程的多步性、可逆性給予很好的詮釋。實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量方法則回避了燃燒反應(yīng)過(guò)程微觀復(fù)雜性這一難點(diǎn)，將研究重點(diǎn)放在宏觀條件對(duì)爆炸后果的影響。在眾多燃燒爆炸實(shí)驗(yàn)裝置中，激波管是一種廣泛用于研究爆炸沖擊波在受限空間內(nèi)部傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[6-8]。通過(guò)激波管實(shí)驗(yàn)，研究人員可以較為直觀地分析出可燃混氣狀態(tài)對(duì)爆炸特征的影響，如可燃?xì)怏w的組分、惰性氣體含量對(duì)爆炸極限范圍的影響[9]。王健等在對(duì)比了N2等惰性氣體對(duì)H2／O2混合氣體爆速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算結(jié)果的差異，使用20個(gè)基元反應(yīng)表征氫氧混合氣體反應(yīng)過(guò)程，驗(yàn)證了不同惰性氣體對(duì)可燃混氣爆炸過(guò)程阻尼性能的差異[10]。梁運(yùn)濤等在模擬計(jì)算瓦斯混合氣初始?jí)毫?、溫度、組成對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸動(dòng)力學(xué)特性的影響過(guò)程中，將瓦斯爆炸反應(yīng)過(guò)程分解為53種組分、325個(gè)反應(yīng)，得到了較為詳細(xì)的瓦斯爆炸過(guò)程影響規(guī)律[11]。張博等實(shí)驗(yàn)分析了臨界起爆能量、空間尺寸等參數(shù)與氣體爆燃波特征的關(guān)聯(lián)[12]。沈偉等實(shí)驗(yàn)研究了不同空間尺度下爆燃波的傳播速度、爆炸壓力變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)小尺寸空間中爆燃波速發(fā)展更為迅速、壓力峰值位置較近、壓力波易疊加為沖擊波[13]。

為了量化研究爆炸性氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征以及混氣初始條件對(duì)爆炸波特征時(shí)序變化規(guī)律，本文將以激波管內(nèi)可燃混氣爆炸實(shí)驗(yàn)裝置為原型，以不同化學(xué)計(jì)量比的預(yù)混天然氣混合氣體為對(duì)象，比較不同混氣初始條件下氣體爆炸產(chǎn)物升壓(溫)以及氣體產(chǎn)物生成量的差異，采用數(shù)值模擬方法對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)歷程、初始條件對(duì)爆炸沖擊波時(shí)序特征變化影響機(jī)理進(jìn)行研究。

1　模型構(gòu)建

1．1　物理模型

筆者針對(duì)激波管中天然氣－空氣預(yù)混氣體爆炸反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行數(shù)值模擬。激波管廣泛用于受限空間氣相爆炸過(guò)程研究，激波由弱壓縮波在傳播過(guò)程中疊加形成的使介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)突躍變化的強(qiáng)壓縮波[14-15]。激波管分為惰性高壓傳動(dòng)氣體區(qū)、低壓反應(yīng)氣體區(qū)2部分，中間由金屬薄膜或其他材料的膜隔開(kāi)。當(dāng)薄膜破裂后，膨脹高壓氣體以1～10馬赫(1Ma約相當(dāng)于340.3m／s)的速度向低壓區(qū)傳播，低壓區(qū)氣體被絕熱壓縮，在波陣面上產(chǎn)生高溫，當(dāng)溫度、壓力達(dá)到一定閾值時(shí)燃燒反應(yīng)隨之發(fā)生。激波管內(nèi)氣體區(qū)域劃分如圖1所示[16]。圖1中入射激波前部未受擾動(dòng)的低壓試驗(yàn)氣體區(qū)稱(chēng)為①區(qū)，入射激波后部對(duì)應(yīng)②區(qū)；隨著激波向右側(cè)試驗(yàn)氣體移動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生稀疏波以聲速向左側(cè)高壓氣體區(qū)移動(dòng)，左行稀疏波后部區(qū)域?qū)?yīng)③區(qū)，前部對(duì)應(yīng)④區(qū)；高壓驅(qū)動(dòng)氣體與低壓試驗(yàn)氣體之間的交界面，稱(chēng)為接觸面；右行入射激波到達(dá)右側(cè)端面后將產(chǎn)生反射激波，反射激波后部區(qū)域稱(chēng)為⑤區(qū)。各區(qū)內(nèi)部氣體壓力、溫度分別為pi和Ti，i對(duì)應(yīng)區(qū)域編號(hào)，如①區(qū)未受擾動(dòng)的低壓試驗(yàn)氣體的初始?jí)毫?、溫度分別為pi和Ti。

 

1．2　化學(xué)反應(yīng)模型

天然氣化學(xué)組成及理化特性兇地而異，主要成分是甲烷，可能還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等。天然氣實(shí)際燃燒反應(yīng)由許多相繼發(fā)生或平行發(fā)生的基元反應(yīng)構(gòu)成。根據(jù)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建的天然氣氣相燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)包含Ar、C、H、O和N等5個(gè)元素、53種反應(yīng)組分、325種基元反應(yīng)。表1列出了其中部分基元反應(yīng)的反應(yīng)式和指前因子Ai，溫度指數(shù)bi和反應(yīng)活化能Ei。

 

1．3　受限空間內(nèi)可燃混氣爆炸模型

受限空間內(nèi)天然氣混氣爆炸壓力、溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)均發(fā)生較大變化，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)充分考慮可燃混氣的可壓縮性和高溫下氣體熱力學(xué)性質(zhì)。采用入射激波模型模擬一維受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃過(guò)程符合朗金－雨貢尼關(guān)系式，揭示了激波前后氣流參數(shù)的變化關(guān)系，即壓強(qiáng)比、密度比、溫度比之間的關(guān)聯(lián)[17-19]。在模擬過(guò)程中一般忽略激波厚度，設(shè)激波前后的氣體狀態(tài)分別為區(qū)域①和區(qū)域②，可得到激波前后的氣體狀態(tài)連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。

連續(xù)方程：

us(r1-r2)=r2u2-r1u1 　　　     (1)

動(dòng)量方程：

us(r2u2-r1u1)=(r 2u22+p2)-(r1u12-p1)       (2)

能量方程：

us(r2E2-r1E1)=[r2u2(e2+1/2u22+p2/r2)]-[r1u1(e1+1/2u12+p1/r1)]　　　(3)

其中

 

式中us為激波波速，m／s，c1為在區(qū)域①內(nèi)的聲速[20-21]；r為激波區(qū)域流體的質(zhì)量密度，kg／m3；u為氣體速度，m／s；p為激波前后區(qū)域流體壓強(qiáng)，Pa；E為單位質(zhì)量流體的總能量，為流體內(nèi)能e、動(dòng)能0.5u2和靜壓能p／r之和，J／kg。下標(biāo)1、2分別對(duì)應(yīng)激波前后區(qū)域號(hào)。

朗金－雨貢尼關(guān)系式給出了激波的壓強(qiáng)比與密度比和溫度比之間的關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)得到正激波計(jì)算公式。即

 

式中g為流體絕熱指數(shù)，對(duì)于可壓縮過(guò)程該指數(shù)與溫度有關(guān)；Ma1為來(lái)流馬赫數(shù)；T為氣體溫度，K；由上述3式可以看出激波過(guò)程為一壓縮過(guò)程，氣流經(jīng)過(guò)激波后壓強(qiáng)、溫度和密度均有所增大。

2　模擬氣體及條件設(shè)置

2．1　模擬樣本混氣

我國(guó)陸上開(kāi)采天然氣中含一定量的可燃?xì)怏w組分(主要為H2S、H2、CO)和惰性氣體組分(CO2和N2)，這些氣體均會(huì)對(duì)天然氣爆炸特征產(chǎn)生影響[9，22-23]。為了研究不同氣體組成和初始溫度、壓力對(duì)天然氣爆炸過(guò)程的影響，本文采用的模擬實(shí)驗(yàn)天然氣混氣初始組成如表2所示。

 

2．2　模擬裝置與初始條件

采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件CHEMKIN-PRO中的垂直入射激波模型對(duì)激波誘導(dǎo)天然氣爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行模擬計(jì)算[16]。激波管內(nèi)天然氣混合氣初始條件為：混氣初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.6kPa，初始溫度為25℃，激波管內(nèi)徑為10cm。

3　模擬結(jié)果與分析

3．1　氣相爆炸動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析

采用入射激波代替點(diǎn)火裝置引燃激波管內(nèi)(直徑10cm、初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.6kPa、溫度298K條件下)天然氣混氣在20ms時(shí)間段內(nèi)管內(nèi)壓力、溫度變化過(guò)程如圖2所示。從圖2-a可以看出，由于采用了入射激波代替點(diǎn)火源，在入射激波到達(dá)混氣區(qū)域時(shí)混氣溫度出現(xiàn)跳躍式提升瞬間溫度超過(guò)3100K。然后溫度出現(xiàn)一個(gè)向下擾動(dòng)過(guò)程，原因在于根據(jù)熱爆炸理論此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)熱生成速度小于向外界環(huán)境散熱速度。隨著氣體反應(yīng)速度不斷提高，當(dāng)時(shí)間到達(dá)約1.4ms時(shí)系統(tǒng)溫度開(kāi)始快速升高，此時(shí)混氣被引爆且反應(yīng)處于不斷加速的過(guò)程。該過(guò)程一直持續(xù)至約4.4ms，對(duì)應(yīng)溫度最大值3221K。當(dāng)?shù)竭_(dá)溫度峰值時(shí)混氣內(nèi)甲烷等可燃?xì)怏w摩爾數(shù)已接近零，且氣相反應(yīng)凈熱釋放速度已通過(guò)峰值(發(fā)生在約3ms，對(duì)應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)活性基團(tuán)凈牛成速度最大)，并保持基本穩(wěn)定。此后，溫度逐漸趨于穩(wěn)定并達(dá)到一定值。

 

圖2-b給出了混氣爆炸壓力的變化過(guò)程。可以看出，在反應(yīng)初期由于受到入射激波的沖擊壓力瞬間拉高，隨之受到燃燒反應(yīng)過(guò)程的影響壓力又有所降低。當(dāng)混氣溫度達(dá)到峰值時(shí)，爆炸壓力隨之開(kāi)始逐步提升，在這一過(guò)程中氣相反應(yīng)凈熱釋放速度基本穩(wěn)定。在溫度達(dá)到峰值、壓力開(kāi)始上升的時(shí)刻(約4.4ms)，激波管內(nèi)激波速度也達(dá)到峰值，約406m／s，隨之逐漸下降。

3．2　初始?jí)毫?duì)天然氣爆炸特性影響分析

受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏后，環(huán)境壓力會(huì)存在一定的差異。圖3-a給出了不同初始?jí)毫?duì)激波管內(nèi)混氣溫度變化過(guò)程的影響。隨著初始?jí)毫μ岣呋鞖獗òl(fā)生時(shí)刻逐漸提前，分別為1.4ms、1.0ms、0.8ms。原因在于一方面高壓條件下氣相反應(yīng)速度較快、熱釋放速度提高，另一方面混氣熱傳導(dǎo)性能降低導(dǎo)致熱損失減小，從而使爆炸反應(yīng)更加容易進(jìn)行。在不同初始?jí)毫l件下混氣引爆后的溫度峰值基本一致，但達(dá)到峰值所用時(shí)間存在差異。當(dāng)初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">1.0kPa時(shí)，達(dá)到溫度峰值所需時(shí)間約為2.8ms；而初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.8kPa時(shí)，達(dá)到溫度峰值所需時(shí)間約為3.4ms；初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.6kPa時(shí)，達(dá)到溫度峰值所需時(shí)間約為4.4ms。計(jì)算結(jié)果表明，提高初始?jí)毫κ狗磻?yīng)速度加速、升壓速度提高，會(huì)更迅速達(dá)到峰值溫度。此后，在不同壓力條件下混氣溫度下降速度基本一致。

 

圖3-b反映了不同初始?jí)毫l件下激波管內(nèi)混氣爆炸壓力變化過(guò)程。如圖所示，隨著初始?jí)毫μ岣呋鞖獗▔毫σ苍谔岣?。?dāng)初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.6kPa時(shí)，混氣爆炸壓力約為47kPa；初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.8kPa時(shí)，混氣爆炸壓力約為62kPa；初始?jí)毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">1.0kPa時(shí)，混氣爆炸壓力約為78kPa。通過(guò)以上2方面分析可知，引爆時(shí)間和爆炸壓力均受到混氣初始?jí)毫τ绊戄^大，在高壓條件下更加容易引發(fā)災(zāi)難性爆炸事故。

3．3　空間尺寸對(duì)天然氣爆炸特性分析

事故表明，可燃?xì)怏w泄漏空間尺寸存在較大的隨機(jī)性。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論認(rèn)為，鏈反應(yīng)中生成的活性基團(tuán)在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)因與壁面碰撞而消亡，活性基團(tuán)銷(xiāo)毀速度取決于鏈的有效碰撞數(shù)，因此爆炸反應(yīng)過(guò)程與空間形狀、尺寸有較大關(guān)聯(lián)。圖4給出了不同激波管內(nèi)徑在初始溫度298K、0.6kPa初始?jí)毫l件下，對(duì)爆炸溫度、壓力變化的影響。本文采用3種管徑進(jìn)行計(jì)算比較，管徑之比約為1：5：10，在激波管長(zhǎng)度相等的情況下激波管內(nèi)表面積之比約為1：25：100。管內(nèi)壁對(duì)爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，包括對(duì)活性基團(tuán)的銷(xiāo)毀速度和體系向環(huán)境散熱速度的影響。

 

圖4-a表明，管徑為10cm的激波管爆溫明顯高于另外兩個(gè)激波管的爆溫。原因在于，10cm管徑激波管的表面積遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)(內(nèi)表面積之比分別為1：25和1：100，而后兩個(gè)的內(nèi)表面積之比僅為1：4)，因散熱面積較小致使散熱速度明顯低于其他兩個(gè)；另一方面，10cm管徑激波管的空間較小實(shí)際上增加了活性基團(tuán)與器壁之間的碰撞概率，導(dǎo)致單位而積銷(xiāo)毀速度要大于后兩者。綜合比較兩方面的作用可知，激波管空間尺寸對(duì)體系向外界散熱作用的影響要高于活性基團(tuán)銷(xiāo)毀作用的影響。因此空間尺寸相對(duì)較小的激波管其爆炸溫度相對(duì)較高。

圖4-b給出了不同管徑條件下激波管內(nèi)混氣爆炸壓力變化過(guò)程。10cm管徑激波管由于其爆炸溫度較高其爆炸壓力上升較快，這一點(diǎn)充分說(shuō)明相對(duì)較小的爆炸空間可以獲得更加迅速的爆炸升壓速度，爆炸溫度是影響爆炸壓力的最直接因素。而55cm和100cm管徑的激波管由于兩者爆炸溫度歷程基本相同，因此影響其升壓過(guò)程的主要因素轉(zhuǎn)換為卒間尺寸。由于激波產(chǎn)生是由多個(gè)壓縮波疊加形成，尺寸較大的激波管可以為激波產(chǎn)生提供更加有利的發(fā)展空間，使后面的壓縮波有可能趕上前面的壓縮波，較容易達(dá)到高的爆炸壓力。當(dāng)激波的強(qiáng)壓縮作用使激波管內(nèi)混氣著火，經(jīng)一段可用的時(shí)間和空間后火焰?zhèn)鞑ヅc激波導(dǎo)致燃燒過(guò)程重合時(shí)，便產(chǎn)生了爆轟。

4　結(jié)論

基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本方法，采用入射激波模型對(duì)受限空間內(nèi)天然氣爆炸過(guò)程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究，分別討論了天然氣在空氣中燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、混氣初始?jí)毫?、空間尺寸等因素對(duì)爆炸過(guò)程的影響，研究得到以下結(jié)淪：

1)受限空間內(nèi)天然氣爆炸反應(yīng)過(guò)程是由多步基元反應(yīng)構(gòu)成，在微觀上具有反應(yīng)歷程多元性、基元反應(yīng)可逆性以及燃燒不完全性等特點(diǎn)。

2)可燃混氣燃燒過(guò)程隨溫度、壓力的增加可以轉(zhuǎn)換為爆轟過(guò)程，爆轟產(chǎn)生過(guò)程是一個(gè)典型的激波傳播過(guò)程，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ヅc激波導(dǎo)致燃燒過(guò)程重合時(shí)，便產(chǎn)生了爆轟。

3)用入射激波點(diǎn)燃混氣時(shí)，體系溫度會(huì)首先出現(xiàn)跳躍式上升，然后由于反應(yīng)熱生成速度小于散熱速度系統(tǒng)溫度會(huì)出現(xiàn)向下擾動(dòng)。當(dāng)混氣被引爆后，溫度、壓力將上升并趨于穩(wěn)定，在溫度達(dá)到峰值時(shí)壓力隨之提高。氣相反應(yīng)凈熱釋放速度峰值出現(xiàn)在溫度峰值之前，達(dá)至溫度峰值時(shí)混氣內(nèi)可燃組分基本消耗殆盡。

4)提高初始?jí)毫?huì)縮短町燃混氣引爆時(shí)間，但爆炸溫度峰值基本相同，高的初始?jí)毫?duì)反應(yīng)速度有加速作用，會(huì)導(dǎo)致更高的爆炸壓力。

5)空間尺寸對(duì)散熱作用的影響高于其對(duì)活性基團(tuán)銷(xiāo)毀作用的影響，爆炸溫度直接影響著爆炸壓力的大小，小空間可以獲得更迅速的爆炸升壓速度。

 

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本文作者：左哲  姚志強(qiáng)  高進(jìn)東  馬世海  石杰紅

作者單位：中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院安全評(píng)價(jià)中心