开敞空间天然气爆炸超压与火焰加速传播的动力学耦合机制研究

To assess the consequence of accidental natural gas explosions and take measures to prevent such accidents, it is necessary to fully understand the basic phenomenon and dynamic evolution during natural gas explosions. This project aims to study the effects of hydrodynamic and diffusional- thermal instabilities on spherically expanding flame acceleration through large scale experiments and combustion reaction kinetics theory. The dynamic couplings of flame acceleration and blast wave generation would be revealed by fractal theory. Based on the above experimental results, the quantitative blast wave prediction model would be developed. As a result, 3D CFD codes coupling the relationship between flame acceleration and blast wave generation, detailed chemical kinetics with a PDF transport approach, Reynolds stress transport model would be programmed. The present study will provide theoretical and technical support for prevention and mitigation of natural gas explosions.

只有充分地认识开敞空间天然气爆炸的基本现象，掌握天然气爆炸的动力学演化规律，才能有效地预测天然气泄漏爆炸引发的超压，进而有针对性制定爆炸安全防护措施，保障天然气的安全应用。本项目通过开敞空间天然气爆炸实验研究与传热传质、燃烧反应动力学理论分析，研究流体动力学不稳定性、热扩散不稳定性对开敞空间天然气爆炸火焰加速传播的动力学影响机制，利用分形理论揭示开敞空间天然气爆炸超压与火焰加速传播的动力学耦合规律，基于上述实验结果建立统一量化的开敞空间天然气爆炸超压预测理论，进而发展耦合火焰加速传播与爆炸超压相互作用、详细化学反应动力学机理与PDF输运模型、雷诺应力输运模型的开敞空间天然气爆炸三维数值计算模型，研究成果可为防控天然气泄漏引发爆炸危害提供理论支持与技术支撑。

本项目搭建多尺度开敞空间天然气爆炸试验平台，利用高速红外摄像技术和高频动态压力测量技术，研究了当量比和障碍物空间结构对天然气爆炸火焰传播行为和爆炸超压的影响规律，阐明了流体动力学不稳定和障碍物诱导湍流对火焰加速传播的影响机制，揭示了火焰加速传播和爆炸超压的耦合作用机理，建立了多因素扰动的开敞空间天然气爆炸超压预测模型，发展了开敞空间天然气爆炸三维数值计算模型。结果表明：流体动力学不稳定和障碍物诱导湍流均可加速火焰传播和增强爆炸超压，障碍物诱导湍流对火焰加速作用和对爆炸超压的增强效应明显高于流体动力学不稳定。流体动力学不稳定强烈依赖于火焰尺度，障碍物诱导湍流主要受竖直方向和水平方向方管数量控制。建立的多因素扰动爆炸超压预测模型可有效预测置障环境下的爆炸超压峰值。发展的耦合流体动力学不稳定和障碍物诱导湍流的三维数值计算模型可成功再现天然气爆炸火焰传播行为和爆炸超压特性。研究成果可为本质上防控天然气爆炸危害提供理论支持和技术支撑。