1、氣體爆炸基本理論與安全氣體爆炸基本概念可爆氣云的形成燃料空氣混合物的燃燒特性爆燃、爆轟與爆炸波結構物的爆炸載荷響應容器、管道或坑道中的氣體爆炸加工過程中的氣體爆炸或無約束爆炸氣體爆炸模擬事故調查閱讀Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs. Center for Chemical Process Safety of the American Institute for Chemical Engineers, New York, 1994.Und

2、erstanding Explosion. Daniel A. Crowl. Center for Chemical Process Safety of the American Institute for Chemical Engineers. NY 2003.Explosion Hazards in the Process Industries. Rolf K. Eckhoff, Gulf Publishing Comany, Houston, Texas. 2005.Dust Explosion Prevention and Protection, A Practical Guide.

3、John Barton. Gulf Professional Publishing. 2002.Enclosure Fire. Bjorn Karlsson and James G. Quintiere. CRC Press. 2001.An introduction to Mathematical Fire Modeling. Marc L. Janssens Technomic Publishing Company. Inc. 2000.工業(yè)熱安全工程 楊立中 中國科學技術大學出版社 2001.Theoretical and Numerical Combustion. Thierry PO

4、INSOT and Denis VEYNANTE, R.T Edwards , Inc. 2005.Computational Fluid Dynamics in Fire Engineering, Theory , Modeling and Pracatice. Guan Heng Yeoh and Kwok kit Yuen. Elsevier Inc. 2009.材料的動力學行為，Marc Andre Meyers 著（張慶明等譯）國防工業(yè)出版社. 2006第一章 氣體爆炸簡介此類事故的防治要求對氣體爆炸現(xiàn)象有很好的理解，以降低這類事故發(fā)生的頻率，減輕事故造成的損失。本章的目的包括：i)

5、簡要介紹氣體爆炸場ii) 事故損失與教訓iii) 如何利用現(xiàn)有的知識改善安全狀況1.1 什么是氣體爆炸？氣體爆炸：預混氣云（即燃料空氣或燃料氧化劑混合物）燃燒引起壓力快速上升的過程。發(fā)生地點：封閉或敞開區(qū)域均可發(fā)生。封閉區(qū)域如加工設備、管道及其連接系統(tǒng)內?？扇嘉镔|泄漏可能產生的各種后果（事故情形）影響爆炸壓力的因素：火焰?zhèn)鞑ニ俣?、封閉程度。氣體爆炸中火焰?zhèn)鞑ツＪ剑罕?、爆轟。爆燃：最常見的模式，爆燃相對于未燃燒氣體以音速傳播，典型的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄏ鄬o止觀察者的速度）為1-1000m/s量級。其爆炸壓力可以達到幾bar的壓力。爆轟：超音速燃燒波，激波與燃燒波耦合在一起傳播。在燃料空氣云中，爆轟

6、波傳播的速度在1500-2000m/s范圍，典型的峰值壓力為15-20bar。圖1.2 在有加工設備的部分約束區(qū)域的氣體爆炸。 氣云爆炸的典型過程1.2 氣體爆炸損失與經驗教訓圖1.3 1975-1986期間發(fā)生在碳氫加工業(yè)中的事故損失最大的100起事故的分布情況 典型事故案例Flixborough爆炸, 1974： Nypro工廠臨時管道破裂造成大約50噸環(huán)己烷發(fā)生泄漏而引起的。泄漏后，所形成的可燃氣云大約在1分鐘后發(fā)生點火，造成非常猛烈的爆炸。所形成的爆炸波相當于16噸TNT爆炸。教訓：i）減少燃料的泄漏量；ii）對工廠及其工藝過程的完善非常重要；iii）采用具有抗爆性能的控制室和建筑物。

7、Piper Alpha事故, 1988：是海洋石油工業(yè)中的“Flixborough事故”，事故由壓縮機單元的小型氣體爆炸事故引起火災并導致立管破裂，整個鉆井平臺的主體部分被燒壞，事故造成167人死亡。FALCS氣體爆炸超壓達到約0.3bar。教訓：氣體爆炸很容易形成多米諾效應，從而使事故的發(fā)展失控。裝置、設施等應設計為具有避免多米諾效應。其他教訓氫氣的反應性非常強，即使在敞開空間，氫氣爆炸也可能非常猛烈；泄漏的可燃氣體可能通過通風管道被吸入或擴散進入封閉空間，發(fā)生劇烈爆炸；如氨這種燃燒過程緩慢的物質，當其處在約束空間時，也可能發(fā)生猛烈的爆炸；控制和掌握工藝過程的變化；封閉區(qū)域的爆炸可能發(fā)展為爆

8、轟，非封閉區(qū)域也可能形成很高的壓力；設置相應的阻爆設施，從而當發(fā)生氣體爆炸時對其進行抑制，具有防護效果。1.3氣體爆炸安全的分析與管理風險：事故發(fā)生概率與后果嚴重度的乘積。事故經驗表明：僅通過降低泄漏風險、防止形成爆炸性氣云和點火來防止氣體爆炸是不夠的，還需設置相應的防爆設施來進行氣體爆炸防護，降低氣體爆炸的危險。問題：如何使防爆設施充分發(fā)揮作用？加強安全管理：在項目的整個生命周期內考慮風險問題概念設計階段：不同功能區(qū)域的劃分、區(qū)域之間的分割措施和總體設計等；詳細設計階段：氣體爆炸載荷的計算；建筑和安裝階段：設計校驗挪威關于海洋石油開發(fā)項目的安全管理模型，如圖1.4。 風險分析與控制圖1.5

9、風險分析（Ramsay1990）圖1.6 氣體爆炸后果計算在正式的風險評價研究中進行風險評價 對設計與實際工藝進行改進 決策支持 相關知識的傳承 成本效益 安全 兩種燃燒方式：擴散燃燒：燃燒過程中，燃料和氧氣進行混合通常表現(xiàn)為火災；預混燃燒：燃料和空氣（或其他氧化劑）預先混合，且燃料濃度處于可燃極限范圍內，一般表現(xiàn)為爆炸；圖2.1 噴射火災與氣體爆炸示意圖2.3氣體爆炸2.4約束氣體爆炸 ：指發(fā)生在儲存容器、工藝設備、管道、管路、下水道系統(tǒng)、密閉房間和地下設施等內部的爆炸。約束爆炸也可以稱為內部爆炸（internal explosions）。圖2.2 儲罐內發(fā)生的約束爆炸2.5 部分約束氣體爆

10、炸：燃料偶然泄漏在部分敞開的建筑物內，如壓縮機房和海洋鉆井單元，這些建筑物對爆炸具有一定的約束作用。當發(fā)生爆炸時，由于建筑物墻體上開口在很低的壓力下打開而形成的泄爆作用，使爆炸壓力能得以釋放。圖2.3 有加工設備的部分約束區(qū)域內的氣體爆炸2.6 無約束氣體爆炸：指加工廠等敞開區(qū)域的爆炸，完全無約束無障礙條件下，弱點火源點火形成的燃燒實際上是一種閃燃flash fire，超壓很低幾乎可以忽略。但實際上這種情況很少。圖2.4 加工區(qū)域的氣體爆炸2.7 氣云爆炸(VCE) ：氣云爆炸與部分約束或無約束氣體爆炸之間沒有本質的區(qū)別通稱為氣體爆炸或氣云爆炸。2.8 火焰速度與燃燒速度火焰速度S：火焰相對于

11、靜止觀察者的速度，即相對于地面或其他固定的坐標系；燃燒速度U：火焰陣面相對于火焰前方未燃氣體的速度。兩者關系： S = U + u注：u是緊靠火焰前方未燃氣體的速度。對具有化學當量濃度的碳氫空氣混合物，S的量級為 8*U 2.11爆轟 ：相對于火焰前方的未燃氣體以超聲速傳播的燃燒波，即爆轟速度D大于未燃氣體中的聲速C。 爆轟模型ZND模型：火焰緊跟在激波后方，通過激波壓縮作用使氣體加熱并觸發(fā)燃燒的陣面結構形式；CJ模型：反應速率極高的沒有厚度的間斷面。圖2.6 爆轟波陣面結構典型的爆轟參數(shù)：爆轟速度2000 m/s ，爆轟壓力接近20bar。形成爆轟波的方式：直接起爆形成爆轟；通過DDT過程形

12、成爆轟。2.12層流與湍流：層流是流體以層狀方式流動，湍流的特征是在平均流動速度（時平均速度）的基礎上存在不規(guī)則的隨機脈動。圖2.7表示層流和湍流中一個流體質點的流動軌跡。燃燒中湍流的作用：導致火焰陣面發(fā)生褶皺，使熱量和質量的擴散速率增加，從而產生很高的燃燒速率。2.14閃燃 ：預混完全無約束氣云在無障礙情況下發(fā)生的慢速爆燃現(xiàn)象，其產生的超壓可以忽略不計，主要危害是熱效應。2.15沸騰液體膨脹汽化爆炸（ BLEVEs ）：盛裝有高蒸汽壓可燃液體的容器失效破裂時引起的爆炸，容器失效破裂通常是由于外部火災引起，主要危害包括壓力波、破片拋射等，如果泄漏物質是燃料，則引起巨大的火球。2.16 激波：氣

13、體激波是充分發(fā)展的壓縮波（疊加形成），具有陡峭的壓力剖面，激波陣面兩側密度、壓力和質點速度變化極大，一般激波厚度只有幾個平均分子自由程大小，可將激波視為間斷面。圖2.12 伴隨有稀疏波的激波2.17爆炸波 ：是爆炸形成的處于傳播過程中的一系列空氣波。包括以音速傳播的壓縮波、激波和稀疏波。 常見的爆炸波類型：i）跟隨有稀疏波的激波（強爆炸）；ii）跟隨有音速壓縮波、稀疏波的激波；iii）音速壓縮波和稀疏波（弱爆炸）。具體取決于爆炸過程中能量的釋放方式、釋放時間以及與爆炸源的距離。2.18 壓力 ：在不同方向均勻作用的應力，單位面積上的作用力大小 。靜壓Pstat：通常所指的壓力，即沒有聲波存在時

14、作用在介質某一點上的壓力，各向相等。動壓： 遲滯壓力:側壓力（side-on pressure）：側壓力是在垂直于波傳播方向上測得的壓力值，激波后方的靜壓力。反射壓力：波傳播過程中與物體作用，如波與迎頭的壁面相互作用時所測得的壓力。由于反射過程為非等熵過程，故遲滯壓力和反射壓力不同。第三章 爆炸性氣云的形成3.1 射流泄漏與蒸發(fā)池兩種泄漏源射流泄漏：動量較大，射流卷吸周圍空氣，能夠形成很強的流場，并可能形成回流區(qū)域，回流區(qū)域內，氣體濃度可能達到可燃濃度。蒸發(fā)池的擴散泄漏：液體蒸發(fā)形成的可燃蒸汽，其擴散過程受風流和浮力控制，一般風流速度要比射流速度低得多，如果液體蒸發(fā)形成密度大于空氣密度，則在地

15、面附近或低洼處形成可燃性氣體。一些氣體擴散實驗結論對中等或大型射流泄漏，單元內的彌散方式主要由射流本身控制，而實際氣體的濃度水平則取決于自然通風狀況。 對小型射流泄漏，彌散方式和濃度水平由自然通風情況決定。 試驗得到的總體趨勢是氣體濃度非常均勻，在空間上氣體濃度分布的變化比預期小。 當存在有適當?shù)淖匀煌L方式時，無論丙烷還是甲烷，其彌散方式相似。3.4 氣云與點火：點燃氣云需要足夠能量的點火源，即最低點火能量，最低點火能量取決于燃料的種類與濃度。圖3.7 最低點火能量泄漏擴散狀態(tài)下點火時間問題隨著泄漏的進行，泄漏速率逐漸降低，氣云中濃度也會降低。當氣云達到合適的濃度時點火是最有利的時機。當點火

16、源很強時，如果氣云靠近點火源則發(fā)生點火；如果點火源較弱，則在擴散初期由于濃度較高而不能點火或點燃邊緣部分氣云，隨著氣源逐漸減少，該均勻氣云可能達到可燃極限濃度，弱點火源反而可能形成點火?？梢?，爆炸性氣云的形成概率及其點火概率的復雜性。3.5 通風：Kletz (1987) 認為“最好的建筑是沒有墻體”，在開放式的建筑中，自然通風可增強氣體擴散過程，而且一旦發(fā)生爆炸，開口也可以及時泄放壓力。因此，如果泄漏速率很小，可以采用機械通風的方法來防止形成爆炸性氣云；但當泄漏量較大時，強迫通風速率一般太低。但應注意通風系統(tǒng)也可以將氣體從一個區(qū)域輸運到其他區(qū)域，形成爆炸危險性。3.6 指南 避免采用密閉型空

17、間或艙室。 避免可燃性氣體通過通風系統(tǒng)等侵入到建筑物、坑道和下水道系統(tǒng)內等。第四章 燃料-空氣混合物的燃燒特性燃燒特性即表征可燃物質的反應性和破壞能力的基本特性參數(shù)，是工業(yè)氣體爆炸安全的重要參數(shù)。4.1 可燃（或爆炸）極限(LFL和UFL) ：當燃料濃度處于可燃上限和可燃下限之間時，即UFL和LFL，預混燃料空氣混合物才能發(fā)生燃燒，而可燃極限與初始溫度和初始壓力有關。標準測試條件是25C 和1 atm。圖4.1 在1 atm.和25C時燃料空氣混合物的可燃范圍。將燃料濃度控制在低于LFL的水平是一種安全可靠的方法！初始溫度增加時，可燃范圍變寬。對于碳氫物質空氣混合物，初始壓力的變化對LFL的影

18、響不大，但UFL會增大?；旌先剂系目扇迹ɑ虮ǎO限計算：Le Chatelier定律。C1, C2 .Ci vol.%是混合燃料中每一種氣體所占的分數(shù)。4.3化學計量組成：化學計量組成定義為燃料和氧氣（空氣）處于平衡，化學反應完成后沒有多余的燃料或氧氣時混合物的組成，可以看成是能達到最大爆炸壓力的組分燃料濃度。4.4閃點：燃料在液體表面附近或在液體容器內可以形成足量的蒸氣并與空氣形成可燃混合物的最低溫度。當工作溫度低于可燃液體的閃點時，不會形成可燃混合物。4.5最低點火能量 ：采用如電火花等局部點火源成功點燃燃料氧化劑混合物所需的能量，與燃料濃度有關。大多數(shù)燃料，當在正常條件下的空氣時，其最

19、低點火能量在0.10.3mJ范圍。但氫氣、乙炔和二硫化碳的最低點火能量要低一個數(shù)量級左右。4.6自動點火溫度：當可燃混合物被加熱到一定溫度時，燃料氧化劑自動發(fā)生化學反應時的臨界溫度。也可以定義為與熾熱壁面接觸導致燃料空氣混合物發(fā)生點火的最低壁面溫度。4.7 反應熱 ：單位質量燃料燃燒放出熱量J/kg。一些燃料的燃燒熱可能很低，但其仍然可能具有很強的爆炸性，因為氣體爆炸還受反應速率、燃料擴散系數(shù)（例如氫氣的擴散性非常好）等影響。表4.4列出了一些燃料包括VCM（氯乙烯單體）等的燃燒熱和反應熱。4.8 絕熱火焰溫度 ：燃料氧化劑在定壓或定容下燃燒且無熱損失時所能達到的最高溫度，表征混合物含有的能量

20、大小。絕熱火焰溫度發(fā)生在化學計量比濃度附近（即9.5%甲烷濃度）。對大多數(shù)碳氫物質空氣混合物，最高絕熱火焰溫度與甲烷一樣，約為2000C。圖4.7 初始壓力為1atm，初始溫度為25時的絕熱火焰溫度。4.9 定容燃燒與定壓燃燒初始條件25、1atm（1.013bar）下，化學計量比濃度下燃料空氣混合物的壓力 P(絕對壓力)和膨脹比(V/V0)注：定容燃燒產生的壓力并非氣體爆炸的最大壓力，燃燒過程中的動力學作用如燃燒波前的預壓縮等可能產生很高的局部爆炸壓力。第五章 爆燃背景：爆燃是偶然爆炸事故中最常見的火焰?zhèn)鞑ツＪ?，即爆炸過程中燃燒波相對于火焰陣面前方的未燃氣體以亞聲速傳播，火焰陣面前方的未燃氣

21、體由于燃燒產物的膨脹壓縮作用而處于運動狀態(tài)。在爆燃模式下，火焰速度的范圍從幾m/s到500-1000 m/s。爆炸壓力的范圍從幾mbar到幾bar，其大小與火焰速度有關?；鹧嫠俣取⒈▔毫εc幾何結構（如建筑物等）決定的氣云狀態(tài)和幾何條件有很大的關系，但即使如氣云尺寸、燃料濃度和點火位置等表示事故情形的參數(shù)為已知的情況下，火焰加速現(xiàn)象在數(shù)學上也是一個很復雜的問題，即火焰的加速過程受特定參數(shù)的變化影響非常敏感。本章的目的：描述爆燃波及其不同的燃燒區(qū)域。 描述泄壓和重復障礙物導致的火焰加速現(xiàn)象及其重要性。 描述CMR實驗的一些重要發(fā)現(xiàn)。 爆燃的理解。5.1爆燃波與爆炸壓力：實際氣體爆燃過程中，火焰的

22、傳播速度相差很大，甚至可以相差達到三個數(shù)量級以上。在不同的燃燒區(qū)域，火焰?zhèn)鞑C理也有很大的差異。層流狀態(tài)下的爆燃火焰?zhèn)鞑ィ簩τ趯恿骰鹧妫紓鞑サ臋C理是熱量和質量的分子擴散，熱量和質量擴散進入未燃氣體的過程相對緩慢，層流火焰的傳播速度量級在3-4 m/s范圍。圖5.1 預混氣體中層流火焰結構示意圖。層流火焰的傳播速度：與燃料的種類和燃料濃度有關。圖5.2表示甲烷、乙烯和氫氣空氣混合物的燃燒速度。由于乙烯、乙炔和氫氣具有較快的化學動力學過程，以及分子擴散系數(shù)較大，因而其燃燒速度較大。湍流狀態(tài)下的爆燃傳播機理：（1）由于流場與加工設備、管道和結構物等的相互作用導致火焰前方的可燃氣體處于湍流狀態(tài)；（

23、2）較大的湍流渦團導致火焰陣面發(fā)生褶皺，火焰表面積增大引起燃燒速率增加；（3）湍流燃燒區(qū)的特征是湍流長度尺度lt 遠遠大于火焰陣面的厚度 ，當湍流長度尺度lt與火焰陣面厚度相當或更小時，火焰變成厚度較大的火焰刷，導致熱量和質量擴散速率的增加，因而具有很高的燃燒速率。湍流狀態(tài)下爆燃壓力增大機理快速火焰?zhèn)鞑?在約束狀態(tài)下的燃燒火焰后方的壓力從火焰陣面開始逐漸衰減，這種壓力衰減與管道左端是開口還是閉口，同時也與火焰速度有關。由于火焰陣面是亞音速燃燒波，因此燃料燃燒會影響火焰前方的流動狀態(tài)。在圖5.4中的壓力衰減以及未燃混合物中激波的形成和增強都表明了這一點?；鹧媲胺降膲毫ζ拭媾c火焰的加速過程和火焰速

24、度有關。為在火焰前方形成激波，火焰速度需要達到很高的值。5.2管道內重復布置障礙物導致火焰加速機理有障礙物的管道內，流動與結構物、管道架等之間的相互作用產生較大的湍流渦團，大渦引起火焰陣面發(fā)生褶皺、在反應陣面上發(fā)生熱量和質量的湍流輸運，導致燃燒速率增加，從而導致火焰加速。圖5.7 管道氣體爆炸過程中，由于重復布置障礙物導致形成湍流。圖5.8 在1m楔形爆炸容器中實測的火焰速度與流動速度。 (Bjrkhaug, 1986). 火焰速度與流場質點速度（燃燒速度）均增加但兩者之間存在一定的差，燃燒速度的增加會導致爆炸壓力的上升。重復布置障礙物引起火焰加速的機理構成一個很強的正反饋機制。通過泄放熾熱燃

25、燒產物避免火焰加速：熾熱燃燒產物的泄放降低火焰前方未燃混合物的流動和湍流強度，從而降低燃燒速率，也有助于降低爆炸壓力。穿過障礙物區(qū)后進入無障礙物區(qū)火焰速度的降低圖5.11 當火焰從重復布置的障礙物區(qū)傳播進入無障礙物區(qū)域時的加速 。結論：控制部分封閉氣云爆炸壓力增大的機理：障礙物誘導形成的湍流導致火焰加速。熾熱燃燒產物的泄放可減弱火焰加速的正反饋增強機制，從而降低爆炸壓力。這些機制之間相互競爭，湍流火焰加速會導致爆炸壓力增加，而泄壓則降低爆炸壓力，兩種現(xiàn)象的此漲彼消控制爆炸壓力的增大效應。實驗研究結果與意義5.35.8給出了在各種幾何形狀的容器中進行的爆炸試驗表明：爆炸壓力與火焰速度的大小受障礙

26、物形狀、數(shù)量、尺寸、布置間距以及阻塞比、泄壓面積、泄壓位置等有素的影響。證實了部分氣云爆炸壓力增大的兩種控制機理同時起作用這一結論。這對于如何通過合理布局盡可能減小爆炸壓力，以及泄爆措施的設計具有重要的指導意義。5.9 射流火焰點火實驗條件：管道直徑2.5m、長10m，體積50 m3 ，密閉端點火形成射流火焰，點燃管道內化學計量濃度的丙烷空氣混合物。（Eckhoff et al.(1979)）圖5.25 射流火焰點火實驗裝置實驗結果：實測得到的爆炸壓力高于10bar，射流火焰是非常強的點火源，其形成的爆炸壓力與射流火焰速度有關（見圖5.26）。射流點火可使無約束氣云發(fā)生非常猛烈的爆炸。一些反應

27、敏感性較大的混合物中甚至可能發(fā)生向爆轟的轉變過程 DDT(Moen et al. 1989)。 Mackay et al. 1989的實驗結果認為：在燃料空氣混合物中發(fā)生向爆轟的轉變現(xiàn)象，爆燃速度至少應達到500-700m/s。圖5.26 50 m3 實驗管道中，爆炸壓力隨射流火焰速度增加而增加。Wilkins和Alfert (1991)的實驗表明，在部分封閉空間進行射流點火，當該空間設置有障礙物時，射流點火的壓力增強效應比無障礙物時要更強一些。Harris 和 Wickens (1989)認為：在某些情況下，局部爆炸（射流火焰）效應不僅可以造成很高的局部壓力，如果火焰以很高的速度傳入封閉程度

28、較低但設置有障礙物的空間，這種較高的火焰速度可以穩(wěn)定地持續(xù)較長的時間，并伴隨有很高的爆炸壓力；但如果火焰在進入障礙物排列區(qū)時的火焰速度較低，則火焰速度不太可能加速到很高的速度，對應的爆炸壓力也較低。結論：射流火焰是比火花強得多的強點火源；當爆炸發(fā)生在管道、坑道，或者在多個空間發(fā)生連續(xù)爆炸時，必須要考慮這種射流點火的可能性。5.10 燃料種類圖5.27. 在10m楔形容器中，化學計量濃度下不同燃料空氣混合物產生的爆炸壓力比較 (Bjrkhaug 1988b).5.11燃料濃度圖 5.29 峰值壓力隨空氣混合物中燃料濃度(% vol.)的變化 (Bjrkhaug,1988)。表5.3. 甲烷和丙烯

29、空氣混合物的可燃極限和化學計量濃度(% volume) (Harris 1983)。 實驗結論：典型地，在可燃極限處燃料空氣混合物定容燃燒的最終壓力約為四倍初始壓力；對單一燃料，其最大爆炸壓力通常發(fā)生在化學計量濃度或稍接近富燃的濃度下，如圖5.29；在這種幾何結構下，觀察到有爆炸壓力的濃度范圍比可燃極限范圍要狹窄一些。產生較大爆炸壓力時的濃度范圍與爆炸發(fā)生的幾何結構有關。約束程度越高、障礙物阻塞越多，則這種濃度范圍越寬。5.12 氣云的非均勻性Hjertager et al.(1985和1988b)在50 m3管道中利用利用高壓甲烷泄漏形成非均勻的甲烷氣云，對具有濃度梯度的甲烷空氣爆炸傳播問題

30、進行研究。研究結果：爆炸壓力與如射流點火方向、泄漏進入容器的甲烷量以及點火延遲時間等參數(shù)有關，爆炸產生的壓力可以達到均勻氣云在化學計量濃度條件下產生的壓力值；結論：氣體爆炸分析中，假設氣云為均勻化學計量濃度的燃料空氣混合物并非保守。5.13 封閉空間氣云的充填比即使充填比在30-50%時，爆炸產生的壓力也可能達到全部滿可燃氣體時所能達到的爆炸壓力。原因：在發(fā)生爆炸的過程中，燃燒氣體會發(fā)生膨脹從而推壓火焰前方的未燃氣體，如圖5.30所示，燃燒著的小范圍氣云將氣云向外推擠，從而使整個封閉空間都充滿可燃氣云。部分充入可燃氣體時，爆炸壓力的大小受點火源的影響更為敏感。如果在氣云邊緣或靠近泄壓口位置點火

31、，其產生的爆炸壓力要比完全充入情況下的爆炸壓力要低。圖5.30 部分充入氣云時，由于產物膨脹將氣云向泄壓口方向推擠，從而整個容積內都充滿可燃氣云。 5.14 點火強度與位置射流火焰和猛炸藥都是很強的點火源，即使在無約束氣云條件下，也可能很強的爆炸，猛炸藥甚至直接形成爆轟。爆炸壓力對點火源強度和點火源位置的影響非常敏感，其產生的峰值爆炸壓力可能相差一個數(shù)量級。一般地，如果在靠近泄爆口或氣云邊緣點火，其產生的爆炸壓力可能達到最低值。圖5.32 不同點火位置的效果泄壓口附近點火a）：燃燒產物得到卸放，未燃混合物的流動速度和湍流強度較低，燃燒速率較低，爆炸壓力較低。在封閉端點火b）：燃燒產物膨脹導致火

32、焰前方的流動速度較大，通過流動與障礙物的相互作用導致形成湍流，具有較高的燃燒速率和爆炸壓力。但如果燃燒產物的泄爆不足以使火焰降低較多，則邊緣點火也可能比中心點火產生的壓力還高。圖5.33即給出了這種例子。圖5.33 在雙平板結構(即固壁頂板)有障礙物下，邊緣點火和中心點火時火焰速度與距離的關系 (van Wingerden and Zeeuwen, 1986).5.15 實驗規(guī)模問題（幾何尺度）實驗室結果不能簡單地根據(jù)比例定律外推到工業(yè)實際情況(Moen et al. 1982, British Gas 1990)。圖5.34.在有重復布置的障礙物管道中，頂板為固壁板或鉆孔板時，最大超壓與長度

33、尺度的關系 (Bakke and Hjertager 1985 a)隨長度尺度的增加，爆炸壓力也呈現(xiàn)增加的趨勢，直到壓力達到10-15bar；頂板泄壓的效果隨長度尺度的增加而降低，其表明：不僅泄壓和障礙物對于爆炸超壓的影響很重要，實驗規(guī)模也是重要的影響參數(shù)。5.16 持續(xù)時間和沖量爆炸載荷作用下，物體的動態(tài)響應與壓力峰值以及壓力-時間曲線有關，即壓力的上升時間和正相持續(xù)時間以及負相壓力脈沖的持續(xù)時間很重要。采用壓力-時間積分（即爆炸沖量）來刻畫和表征壓力-時間曲線。圖5.35 壓力時間曲線。5.17爆風爆風：伴隨激波或陣面或沖擊波后方的流體運動即形成爆風，對細長桿件、管道等，爆風形成的動壓即0

34、.5u2（或拖拽載荷）是表征爆風作用的重要指標。圖5.36 FLACS模擬得到的最大靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力。由圖可見：當歸一化距離為4時，最大壓力為0.7-0.8bar，當歸一化距離為5或6時的泄壓口以外，最大壓力有所降低。在泄壓口區(qū)域，流動速度和動壓較高，遲滯壓力（p + 0.5u2）幾乎為常數(shù)。5.18 指南在確定爆燃時，需考慮的重要因素包括：燃料種類燃料濃度氣云尺寸和位置點火源的位置和點火強度/種類障礙物數(shù)量與尺寸，以及障礙物的布置方向或位置氣云的封閉程度和泄爆情況（泄爆面積與泄爆口的設置位置）尺度問題 否則預測結果可能相差一個數(shù)量級以上。簡單的比例規(guī)則不能適用于大多數(shù)工業(yè)實際情況，必須如F

35、LACS等商用軟件等進行爆燃計算。氣體爆炸受泄壓設置、工藝設備與管道等的幾何布局影響較大，因此應在深入理解火焰加速與壓力增強機理的基礎上，提出合理布局建議，提高整體安全性。在設計的初期階段就應考慮到可能發(fā)生的氣體爆炸災害。完全無約束氣云爆燃的傳播過程非常緩慢，產生的超壓很?。坏敱荚谟姓系K物、部分封閉的空間傳播時，才可能產生很高的壓力。在評價爆燃后果時，不僅應考慮峰值壓力，還應考慮壓力上升時間、持續(xù)時間和沖量。第六章 爆轟最具破壞性的氣體爆炸形式，高速傳播，爆轟傳播不需氣云處于封閉狀態(tài)或障礙物的作用。爆轟與爆燃存在很大的區(qū)別。爆轟波前方未燃氣體沒有受到爆轟波擾動。在大氣壓下的燃料空氣混合物中

36、，典型的爆轟波速度為1500-2000m/s，其峰值壓力為15-20bar。本章的目的是：爆轟波的概念、爆轟與爆燃的區(qū)別。爆轟傳播所需的條件。爆轟參數(shù)計算：爆轟速度與爆轟壓力。6.1 爆轟波Chapman和Jouguet首先提出了描述以恒定超音速傳播的燃燒波理論（即爆轟波），從而提出了C-J爆轟理論，后來，Zeldovich, Dring和von Neumann在考慮反應速率的基礎上對CJ理論進行改進，提出了ZND模型。C-J理論：將爆轟波作為一個具有無限大反應速率的間斷，由爆轟波兩側質量、動量和能量守恒方程給出爆轟速度（稱為CJ速度）、以及波陣面后燃燒產物狀態(tài)的唯一解。如果知道氣體混合物的組

37、成，則可以依據(jù)CJ理論計算得到爆轟速度、爆轟壓力等。CJ爆轟參數(shù)的計算不需要知道化學反應速率的任何信息（即化學動力學問題）。 ZND模型：將爆轟波描述為由激波及緊靠激波后方的化學反應區(qū)（即火焰）構成，反應區(qū)的厚度由反應速率確定。 CJ模型ZND模型的異同點：由ZND理論與CJ理論計算得到的爆轟速度、爆轟壓力相同；兩個模型之間唯一的差別在于爆轟波的厚度。表6.1在25C 和1.013 bar的初始條件下，一些燃料空氣混合物的CJ爆轟壓力與CJ爆轟速度 (Baker et al. 1983).爆轟波結構：爆轟波實際是三維激波跟隨一個反應區(qū)，先導激波由多個彎曲激波構成，彎曲激波的分界線處，激波之間以

38、馬赫桿相互作用，如圖6.2所示為二維激波的結構示意圖：由激波的三波點（馬赫桿）形成的魚鱗狀胞格，胞格尺寸是衡量混合物的反應性大小，胞格的長度尺度表示爆轟波的總化學反應速率的大小 (Lee, 1984)。通常，長度尺度是指者胞格寬度。爆轟胞格尺寸是表征混合物反應敏感性，反應性越強，胞格尺寸越小。6.2 爆轟陣面后方的稀疏波一端封閉的管道中，燃燒產物膨脹以及爆轟波傳播的過程。當爆轟波到達x=L時，膨脹波尾端大致位于x=L/2處，即在這種邊界條件下，膨脹波尾端的傳播速度只有爆轟波速度1/2。爆轟波CJ面與膨脹波尾端之間的膨脹過程可以近似看成是等熵過程；在x=0處，氣體速度等于零，壓力P=0.4 PC

39、J，該壓力值與定容燃燒壓力近似相等?？梢姀膞=0到稀疏波的尾端（即x=0L/2）的壓力為常數(shù)。對其他邊界條件，例如u 0 m/s時，該壓力值隨邊界條件發(fā)生變化。爆轟形狀（球形爆轟波或平面爆轟波）對波后的膨脹速率有影響。6.3爆燃向爆轟的轉變 (DDT)DDT現(xiàn)象：當爆燃足夠強時，可能突然發(fā)生向爆轟的轉變，特別是反應性很強的混合物，如在化學計量濃度附近的乙炔空氣混合物、氫氣空氣混合物或者燃料在富氧環(huán)境中，很容易發(fā)生這種爆燃向爆轟的轉變現(xiàn)象。試驗表明，DDT過程可通過障礙物和提高封閉程度使火焰加速，也可以是射流火焰點火方式等誘導形成。發(fā)生DDT的機理尚不完全清楚。定性的理解是在DDT過程中是由于在爆炸中形成的局部爆炸引起向爆轟的轉變（這些局部爆炸的尺寸是胞格尺寸大小的10倍左右）。圖6.6 靠近爆轟轉變區(qū)域壓力傳感器測得的壓力時間曲線 (Engebretsen, 1991)。發(fā)生DDT的區(qū)域存在很