障碍物对火焰传播的影响

孙　松，高康华，杨　韬

(1.解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京　210007；

2.中国航空港建设第三工程总队，南京　211100)



障碍物对火焰传播的影响

孙松1，高康华1，杨韬2

(1.解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京210007；

2.中国航空港建设第三工程总队，南京211100)

摘要：屋室内气体爆炸已经成为当前建筑物发生破坏的主要原因之一，而屋室内的障碍物会对增强爆炸效应产生巨大影响。分析了火焰在屋室管道内传播时障碍物的影响，从理论分析、装置实验与数值模拟3个方面总结论述了国内外的研究历史与发展现状，指出了障碍物不只是单纯增大火焰传播速度与峰值超压，目前的研究基本上处于定性研究，缺少定量的理论分析与描述。

关键词：内爆炸荷载；障碍物；火焰速度；峰值超压

Citation format:SUN Song，GAO Kang-hua，YANG Tao.Effect of Obstacles to Flame Propagation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):109-114.

随着经济的飞速发展，人们对于能源的需求量日益增加，天然气、煤气等气体能源在生产生活中得到大规模的应用。但由于这些气体燃料存在易燃、易爆、易泄露性，使得这些气体燃料在管道的运输以及使用中均有可能发生泄露爆炸，其中以瓦斯或粉尘在巷道矿井内燃烧爆炸、工业设备管道连接内的爆炸以及工业厂房或居民建筑中的混合气体爆炸最为普遍，造成了巨大的人员与财物损害。在煤炭矿井、化工车间以及民用住宅中均存在着诸如设备、家具等障碍物。由于障碍物的影响，流场中会形成局部高温高压强，形成爆燃波。火焰因障碍物的影响产生加速并与前方冲击波重合时，会产生伴随化学反应的波阵面，其传播机理从分子自由扩散、传热运输转变为火焰锋面冲击波，形成爆轰波[1-2]。由此可见，障碍物会增加爆炸压力、加速火焰传播、提升压力与速度上升速率、甚至可能导致爆轰[3]。障碍物在一定条件下使得气体燃烧转变为爆炸，摧毁矿井设施，引起井巷垮塌和顶板冒落等二次灾害，中断生产，造成大量人员伤亡，加重了灾害后果。由此可见，在解决建筑物防爆泄压问题上，了解障碍物对火焰加速的机制异常重要。

本文总结介绍了障碍物对火焰传播影响的研究进程与两种基本研究方法，即数值模拟与试验研究。同时结合国内外的研究成果，介绍了障碍物对火焰传播速度、火焰超压与火焰形状的具体影响，分析了产生影响的原因，指出现在的研究还只是停留在定性分析，缺少精确的计算公式，没有形成一套完备的理论体系。

1障碍物对火焰传播过程影响的研究发展与现状

火焰传播过程中涉及气体流动、热交换与辐射等过程，气体种类、管壁材质、障碍物情况等因素都会影响火焰的传播[4]。气体爆炸一般会产生3个致命的后续变化：火焰锋面、冲击波和空间内大气成分变化[5]。为了减少内爆事故的发生频率与爆炸产生的直接损失，众多国内外学者从化学反应、物理传播、力学特性等方面对气体爆炸、火焰传播的机理及其影响因素进行了大量实验研究[6-9]，从内径大小、截面形状、开口情况等方面设计实验管道，研究了忽略厚度的平面结构障碍物之间的间距、阻塞比和数量等因素对火焰传播过程中火焰形状、传播速度与超压的影响[10-20]。Oh等借助高速摄像机拍摄到了爆炸时火焰在密闭容器传播的形状，研究了障碍物阻塞比和可燃气体浓度对爆炸超压的影响[21]；Masri则进行了障碍物结构及尺寸对火焰传播过程中超压的影响[22]；余明高设计并搭建了150 mm×150 mm×500 mm半封闭透明腔体的瓦斯爆炸实验台，采用化学当量比浓度的甲烷-空气预混气体，并与平行障碍物工况进行了比较，进行了交错障碍物对瓦斯爆炸影响的实验研究，得出湍流燃烧是一个强烈的非线性动力过程，火焰的形状结构与火焰传播过程中的特性具有内在联系，故障碍物的交错放置将大大提高瓦斯爆炸压力，同时增强压力波动[23]。

现在研究者们的研究与试验主要关注障碍物对火焰燃烧速度、传播速度、爆炸压力、火焰阵面形状的单独影响。对于火焰传播速度、爆炸压力与火焰阵面形状之间的联系很少讨论。同时在试验中，障碍物多为依次排列的环状薄壁障碍物，缺少障碍物厚度与相对位置对火焰传播的影响。现在的研究大都停留在定性的描述之上，对于障碍物对火焰传播速度与压力的定量研究少之又少。

2障碍物对火焰传播影响的研究方法

2.1对障碍物影响火焰传播的试验研究

为了深入了解障碍物对火焰传播的影响机理，人们进行了大量的相关试验[24-26]，现在较为常用的试验方法为使用两端封闭或一段开口一段封闭的水平有机玻璃管道作为火焰加速管道，通过配套的点火装置、配气装置、压力传感器、光电传感器以及高速摄像机来测定火焰传播过程中的速度、压力与火焰阵面形状。如图1为刘玉华[27]进行立体结构不同阻塞比对火焰传播影响的试验系统简图。

中国矿业大学桂晓宏[28]用截面为80 mm×80 mm，长为24 m的两端封闭方管研究火焰速度与超压的关系及障碍物对其的影响，得出一旦火焰速度超过200 m/s，压力明显增大，冲击波强度提高，所引起的爆炸波破坏效应接近爆轰波产生的破坏效应，造成巨大破坏；卢捷[29]使用相同装置进行了煤气火焰传播规律及其加速机理的研究，得出有障碍物时爆炸最大压力提高约20%，理论计算值基本上接近湍流压力，随阻塞比增加压力基本成线性增长；林伯泉[30]进行了大量实验，证明了障碍物的增加会提高火焰传播速度，速度衰减趋势也会变慢。通过这个实验，林伯泉也证明了管道内不存在障碍物时，气体爆炸过程中爆炸波未出现明显扰动，没有突变界面的产生，不会产生湍流传播；当传播过程中存在障碍物时，爆炸波出现强烈扰动，可能产生突变界面，诱导激波的产生；蔺照东等[31]注意到管壁粗糙程度对压力的影响，利用水平管道式气体—粉尘爆炸实验装置，测试并分析了障碍物阻塞比、数量和壁面情况对瓦斯爆炸过程的影响，证明障碍物的存在，会对爆炸波产生扰动，大大提高冲击波超压，且随着障碍物数量和尺寸的增加，这种激励作用越明显，并且随着壁面粗糙程度的增大，瓦斯爆炸冲击波超压明显增大；余力新[32]在实验中在保证阻塞比不变的情况下改变障碍物形状，分析障碍物形状对火焰传播的影响，实验结论表明火焰的加速速率基本与障碍物形状无关，且障碍物的间距只影响火焰加速度，对火焰最终稳态速度影响较小，并给出简化理论分析，并用一维可压缩流动近似揭示火焰速度较低的情况下管内火焰的加速度机制。

图1　试验布置示意图

2.2对障碍物影响火焰传播的数值模拟

随着计算机技术的飞速发展，数值模拟在研究障碍物对爆炸的影响中发挥了重大的作用。内爆炸的数值模拟建立在湍流模型的基础上，气体内爆炸的均相湍流燃烧时均方程组分为以下几组。

连续方程

动量方程

能量方程

质量分数方程

由k-ε模型描述湍流，k方程和ε方程分别为

其中

式中:ρ表示气体密度(kg/m3)；P为气体的压力(Pa)；ui为i方向上的质点速度，uj为j方向上的质点速度，uk为k方向的质点速度(m/s)；h表示焓，Sh表示单位质量产生的燃烧热，k表示湍流动能(kJ/kg)；wfu表示燃烧组分的质量分数；Rfu表示混合气体的燃烧速率(kg/(m3·s))；μ表湍流黏度(Pa·s)；ε为湍流扩散率(m2/s)；δij为单位张量。

标准壁面函数包括壁面切应力τw和热流密度qw。

切应力：

热流密度：

使用EBU-Arrhenius模型

其中

式中：B表示阿仑尼乌斯因子；w1~w3为燃料质量分数；R为气体常数(kJ/(kg·K))；T为温度(K)；CEBU为计算常数。

国内外学者以此为基础，对均相燃烧方程进行修正，运用数值模拟方法进行了大量的实验与研究[33-37]。余立新等[38]通过k-ε-f-gr四方程湍流模型对湍流火焰在管道中的发展进行模拟，计算出火焰在障碍物管道中的火焰面形状如图2，证实可燃预混气体被点燃后由于障碍物的扰动火焰在管道不断加速，最终可达到稳态。

梁春丽与毕树明[39]通过均相反应流时均方程组、湍流模型k-ε、EBU-Arrhenius燃烧模型和SIMPLEC算法,对密闭容器二维空间内丙烷-空气的爆燃过程进行数值求解，研究了障碍物对火焰阵面、速度场、流场、爆炸压力以及爆炸强度的影响,得到了爆炸压力和爆炸强度与可燃气体摩尔分数之间的关系并绘出密闭容器内障碍物导致火焰阵面变形的速度矢量图和对应的流线图。

图2　不同时刻火焰阵面形状

陈道阳等[40]采用CFD 软件AutoReaGas 建立典型的物理模型及数值模型研究管道内障碍物对火焰传播作用机理。结果表明，随着障碍物间距的增加，火焰传播速率会经历一个先增大后减小的过程；低阻塞率时,火焰速度不大，高阻塞率时，火焰速度明显增加。

但现在数值模拟所使用的大部分模型没有考虑激波对火焰燃烧的影响，固在预测火焰熄灭的浓度范围与爆燃转爆轰的情况时出现困难。

3障碍物影响火焰传播的机理

3.1障碍物加速火焰传播的机理

通过大量的试验可以证实阻塞率的增加及障碍物数量的增加均会加速火焰传播，谭迎新通过实验证实障碍物数量的影响大于阻塞率的影响[26]，障碍物对火焰传播速度总体上不断增加，火焰传播速度以波浪形上升。这是因为火焰传播过程中受障碍物扰动速度增加，但当火焰途经等距布置的障碍物时火焰阵面重复性变化，故火焰速度上升过程中出现振荡，如图3所示[38]。

图3　火焰速度沿轴向变化

火焰接近障碍物时，会受到因障碍物而出现的涡流的阻碍作用，产生减速[41]，这是因为火焰延管道轴线传播途经障碍物时，障碍物因减少了管道界面，产生压力梯度，火焰锋面因障碍物产生的压力梯度受到阻碍作用，同时会产生反射波，造成节流作用，使火焰阵面向开口方向的流动变慢，从而减慢火焰传播速度[42,27]。当火焰通过障碍物时，火焰速度会因障碍物的扰动而提升。如图4为刘玉华[27]通过实验得出的不同形状障碍物下最大火焰传播速度随阻塞比变化图，图4中表明不管在何种形状障碍物中，火焰传播速度与阻塞比变化情况相似。障碍物截面积较小时，火焰速度不大，其增长变化率增大；障碍物截面积较大时，火焰传速与阻塞比线性相关。桂晓宏[28]通过实验用最小二乘法拟合了火焰传播速度的回归曲线V=m×(LD)+b，得出随障碍物增多，火焰传播的线性度降低，湍流度增大的结论。谢波[43]通过实验发现火焰通过单个挡板后在距挡板约5倍高度范围内开始减速。余力新[44]通过研究发现火焰因湍流加速最终达到稳态的过程中，依据其最终速度可将火焰传播分为熄灭态、雍塞态和传爆态。在燃烧下限附近，火焰先加速，最终熄灭；在雍塞态，最大火焰速度略低于燃烧产物声速，基本不受阻塞比变化的影响；随着当量上升，敏感气体的火焰传播由爆燃转变为爆轰，最大火焰速度随阻塞比增加而降低。

图4　最大火焰速度随阻塞比变化

分析火焰加速机理，主要有以下几个方面：① 火焰传播伴随着密度的变化，引起未燃区的扰动；② 壁面与障碍物引起火焰锋面的褶皱，使其加速；③ 扰动与反射波间的耦合作用[32]。

管道内不存在障碍物时，混合气体以层流形式进行传播，管壁因粗糙产生的黏滞作用会在火焰传播过程中形成剪切面和速度差。传播途中的障碍物因阻碍与表面黏滞作用会产生压力场与速度梯度，在火焰未经过时使传播速度下降，扰动火焰锋面，加剧流场变形。火焰锋面接近障碍物时，未燃区遇到障碍物会因速度压力梯度差产生一个绕障碍物的绕流区域，加剧火焰锋面的扰动。当火焰传播经过障碍物时，火焰锋面进入绕流场，沿梯度变化，火焰面出现拉伸与褶皱，增大反应面积，火焰速度因此迅速增加[45]。因为障碍物与壁面的多次反射作用及反射波间的相互作用，预混气体得到充分的预压缩，火焰越过障碍物前可近似认为此时火焰阵面传播马赫数小于1，越过障碍物后因扰动传播则变为湍流形式。由此可知，当火焰进入湍流传播时，火焰内部与外部均会产生尺寸不同的涡团，火焰出现不规则的皱折与卷曲[46]，如余明高[23]利用高速摄像机拍得图5所示。火焰传播过程中不仅因湍流提高了反应与热交换速度，也因此产生阵面的扭曲、褶皱，增加火焰锋面与未燃气体接触面，加快燃烧，使化学反应与能量释放更加迅速。燃烧速度的增加同时会加快火焰锋面传播速度，使得未反应区的未燃物以更快的速度流动，使得传播途中速度差更加明显，反过来作用于火焰锋面，加剧涡团的形成。火焰因障碍物的加速作用正是受这种正反馈的影响。

图5　火焰形状随时间变化示意图

3.2障碍物对火焰传播过程中压力的影响与分析

陈爱平[47]研究得出随着阻塞比的增大，压力增大，而且基本成线性增长，并拟合出升高的压力增量计算式

式中：A和A′分别是管道的内截面积和环形障碍物圆孔面积；V是管道内障碍物处气体的流动速度。余立新[43]根据实验得到压力随阻塞比变化图，分析得知不管何种气体燃烧，当阻塞比小于50%，阻塞比增大时，压力增加，当阻塞比大于50%，随着阻塞比的增加压力呈减小趋势。当阻塞比为50%时，峰值超压最大，即最优阻塞比问题。丁以斌[4]也通过实验证明了当障碍物阻塞比为50%左右时，传播管内峰值压力最大，与余立新观点一致。

分析障碍物使压力增大的原因，是因为燃烧产物因膨胀产生压缩波，由于流动速度差异及障碍物影响使火焰面发生褶皱，提高燃烧速率与能量释放速率，加速燃烧产物膨胀过程，使压缩波强度更大，这一正反馈使超压增加。管道中峰值超压并非随阻塞比增加而增加，是因为障碍物后方的未燃气体未迅速参与反应，产生压力损失[4]。由于障碍物在气体尚未经过时的节流阻碍作用，障碍物前端会出现局部高压场与压力梯度。火焰传播至障碍物后方时，会随梯度场产生绕流，同时受高压区的影响加速，可能发生火焰以较高的速度向未燃区传播。而障碍物后方未及时参加反应的可燃物，对管道中因气体燃烧放热膨胀而产生的压力变化来说，是一种压力的耗损。当管道内的压力增加值小于压力耗损值时，就会出现压力下降。综上所述，气体燃烧过程中压力的变化是由障碍物后方未燃气体产生的压力损失和火焰高速传播导致的压力升高所决定[27]。

3.3障碍物截面与壁面对火焰传播的影响

障碍物对火焰阵面的扭曲程度与产生的速度梯度场与压力梯度场与障碍物形状密切相关，因此障碍物形状对火焰传播也存在影响。丁以斌[4]经过试验发现阻塞比相同的条件下，平板对于火焰传播过程中速度与超压的加强效果最为明显，圆柱对火焰阵面产生的扰动较小，影响相对不明显。王志青[48]通过水平管道式气体—粉尘爆炸试验装置进行试验，发现障碍物的形状对火焰速度和爆炸压力上升速率影响较大，其中，条形障碍物影响最为明显，半圆形次之，圆环形影响最小。基于相同原因，壁面的粗糙程度也会使火焰传播过程发生变化。翟成[49]通过实验表明壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程的影响不可忽视，并分析描述了壁面影响火焰传播是因为壁面的黏滞作用。高建康[50]通过实验证明与内壁光滑的管壁相比，粗糙管壁对火焰速度和超压的增强作用更为明显，得出火焰速度和超压随壁面粗糙度的变化规律。蔺照东[31]通过实验得出数据如表1所示，证实了粗糙壁面对气体爆炸过程中峰值超压的影响。通过对比表明光滑管壁的情况下最大爆炸压力变化不大，而粗糙管壁的情况下，最大压力沿传播方向明显增大。

表1　壁面状态对气体燃烧的影响

4结束语

1) 障碍物对火焰的传播有着多方面的影响，火焰的燃烧速度、传播速度、峰值压力、阵面形状、爆炸强度、点火能量、速度与压力上升率都会因障碍物的存在而改变。目前的研究主要集中在障碍物对火焰速度、压力的影响。研究者通过大量的试验与数值模拟定性的证明了障碍物会增加火焰的传播速度与峰值压力，并通过火焰阵面的改变解释了产生这一现象的原因。

2) 障碍物对火焰的传播并不是单纯的加速作用。当火焰穿过多个连续布置的障碍物时火焰速度大体呈波浪形上升的趋势，但随着障碍物的阻塞比、间距、形状、距火源距离等条件的差异以及在传播过程中的不同时间节点，障碍物对于火焰传播的影响具有巨大差别，在某些情况下障碍物对火焰传播具有减速作用。

3) 目前的试验与数值模拟多在水平管道中增加环状或片状障碍物进行研究，忽略了障碍物的厚度、相对位置以及障碍物与管道内壁相互作用对火焰的影响，与实际屋室内的障碍物情况有较大差距，想要将研究成果应用在实际生产生活当中，还需对试验进行大量改进。

4) 火焰的传播速度与峰值压力之间存在着紧密的联系，现在的研究多为只考虑障碍物对速度或压力的单独影响，未能研究压力与速度之间的变化关系。目前对于障碍物对火焰传播的研究还只停留在定性描述上，对于障碍物间距对火焰的影响、最优阻塞比问题以及火焰速度与压力的变化关系这类具有重要实际意义的问题，还没有形成完备的公式对其定量描述。

5) 在实际生活中，障碍物加速火焰传播的影响并非不可加以利用。了解障碍物对火焰传播的影响机制，不仅对建筑物内爆炸的防护与泄爆具有重要意义，同时可以利用障碍物减少爆燃转爆轰的反应距离与时间，以此来设计新型气体脉冲爆轰引擎(PDEs)。

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(责任编辑杨继森)

Effect of Obstacles to Flame Propagation

SUN Song1，GAO Kang-hua1，YANG Tao2

(1.State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosive and Impact,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2.Third Engineering Corps of China Airport Construction, Nanjing 211100, China)

Abstract:Internal gas explosion has become one of the main forms of destruction faced by buildings and the build-in obstacles have an essential influence on the destruction. The affect caused by build-in obstacles on the flame propagation and the domestic and international researches were summarized and commented from theoretical analysis, experimental study and numerical simulation. It shows that build-in obstacles is not simply to accelerate the flame propagation and increase the overpressure. The current study also pointed out that existing researches are mostly focused on qualitative research, and the quantitative theoretical analysis and description are relatively limited.

Key words:internal explosion loading; obstacle; flame velocity; overpressure

文章编号：1006-0707(2016)02-0109-06

中图分类号：TD712

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.027

作者简介：孙松(1991—)，男，硕士研究生，主要从事防护工程研究。

收稿日期：2015-08-12；修回日期：2015-08-30

本文引用格式：孙松，高康华，杨韬.障碍物对火焰传播的影响[J].兵器装备工程学报，2016(2):109-114.

【光学工程与电子技术】