本书首先详细介绍了直接数值模拟、雷诺平均和大涡模拟三种数值模拟方法，然后研究了壁面热传导、障碍物以及复杂区域条件对火焰加速的影响，进一步揭示可燃气体爆炸的起爆、传播规律、火焰加速以及爆燃转爆轰机理。结果对于丰富和完善燃烧与爆炸学科的基础理论，以及对爆炸灾害的预防和治理具有重要的理论和实际指导意义。

可燃气体爆炸事故是工业生产和人类生活中经常遇到的一类灾难性事故。一旦发生爆炸，产生的高温、高压的爆炸波不仅给生命带来威胁，而且给工业生产造成巨大的破坏，严重影响社会的和谐与稳定。可燃气体爆炸涉及火焰加速、爆燃以及爆燃转爆轰等过程，而且爆炸事故多发生在结构复杂的环境内，导致爆炸传播过程十分复杂，含的物理和化学机制至今仍未揭示清楚。因此，开展可燃气体爆炸的起爆机理、传播规律、火焰加速以及爆燃转爆轰机理的研究，对于丰富和完善燃烧与爆炸学科的基础理论，以及对爆炸灾害的和治理具有重要的理论和实际指导意义。


本书主要研究了壁面热传导对火焰加速及爆燃转爆轰的影响、大尺度复杂环境下火焰加速及爆燃转爆轰，以及管道内障碍物对火焰传播的影响，具体内容如下：


第1章综述了可燃气体爆炸问题的国内外研究现状及发展趋势；第2章介绍了考虑黏性扩散和热传导的化学反应流体动力学N-S方程组，利用高精度WENO数值格式离散方程组，并验证了数值模拟的有效性；第3章研究了壁面热传导对火焰加速及爆燃转爆轰的作用；第4章利用大涡模拟研究了复杂环境括开敞空间以及封闭、半封闭空间内火焰加速及爆燃转爆轰问题；第5章研究了管道内火焰加速及爆燃转爆轰的整个过程括小尺度管道以及大尺度管道，数值模拟结果与实验结行了对比，结一步揭示火焰加速及爆燃转爆轰的机理。


本书主要成果是在理工大学读博士期间所做，感谢导师王成教授的悉心教导和培养。


作 者


22年6月

第1章绪论


1.1国内外研究现状及发展趋势


1.2本书主要内容


第2章基本方程和数值方法


2.1引言


2.2控制方程


2.3初始条件及边界条件


2.4数值计算方法


2.5数值方法的有效性验证


2.6本章小结


第3章火焰加速及爆燃转爆轰的直接数值模拟·3.1引言


3.2壁面热传导对火焰加速的影响


3.3壁面热传导对爆燃转爆轰的影响


3.4本章小结


第4章复杂环境下火焰加速及爆燃转爆轰的大涡模拟……


4.1引言


4.2管道宽度对火焰加速及爆燃转爆轰的影响


4.3矿井瓦斯爆炸


4.4障碍物对可燃气体爆炸的影响


4.5无约束空间内可燃气体爆炸


4.6本章小结


第5章管道内火焰加速及爆燃转爆轰数值模拟的实验验证……


5.1引言


5.2小尺度管道内火焰加速及爆燃转爆轰


5.3大尺度长直管道内火焰加速及爆燃转爆轰·


5.4本章小结…


参考文献

第1章绪论


可燃气体广泛应用于日常生活和工业生产中来可燃气体爆炸事故频发，不仅对生命和财产造成巨大损失，而且严重危害社会稳定，已经引起世界各国政府、科研机构的普遍关注。14年7月31日，中国台湾地区高雄输送丙烯的管线因轻轨施工而破损，发生泄露并遇到点火源发生连环爆炸，造成36人死亡，321人受伤，直接经济损失达数十亿新台币。13年11月22日，青岛市中国石油化工股份有限公司东黄输油管道发生原油泄露，泄漏的原人暗渠挥发形成的积聚油气遇敲击火花发生爆炸，造成62人死亡，136人受伤，直接经济损失达7.5亿元人民币。15年6月3日，加纳阿克拉市中心加油站储油罐因暴雨发生破裂泄漏挥发的油气遇到点火源引发爆炸，造成至少0人死亡。10年4月日，美国墨西哥湾石油钻井平台因井漏而引发起火灾爆炸，造成11人死亡，泄露原油污染面积达155万km2，直接经济损失约10亿美元。05年12月11日英国邦斯菲尔德油库由于泄漏而发生爆炸事故，烧毁大型储油罐余座，受伤43人，直接经济损失2.5亿英镑，事故原因为储罐液位器失灵造成溢油，石油泄出后遇电火花引发爆炸，与周围树木相互作用形成爆燃转爆轰，产生了巨大的破坏。因此，揭示可燃气体在复杂环境下火焰加速、传播和爆燃转爆轰等机理，具有重要的理论意义和较强的工程应用价值。


可燃气体爆炸事故大多发生在储罐群、楼房群、厂房、生产线、地下管网等复杂的几何结构中，且初始时刻可燃气体浓度分布不均，这些因素导致其爆炸过程呈现高度的非定常特性，火焰、高速气流和冲击波在这些障碍物(群)中的传播机理和特性复杂，存在几何边界、运动冲击波和化学反应强烈地相互作用。因此，针对可燃气体爆炸的非理想性的特征，需行深入系统的研究，以便更好地揭示复杂环境约束条件下可燃气体爆炸演化规律。另一方面，由于可燃性气体爆炸过程含火焰加速、爆燃甚至爆轰等不同阶段，各个阶段传播特征及机理不尽相同。爆炸初始阶段，火焰为层流火焰，传播速度较慢，点火机制为热辐射和热传导。随着火焰逐渐加速，流动与火焰相互作用逐渐，层流火焰变为湍流火焰，当火焰诱导的压力波不断，并在火焰前方叠加形成冲击波时，火焰与冲击波的相互作用成为影响火焰传播的重要原因。当激波足够强时，热点的形成触发爆燃转爆轰发生。但是，火焰传播对化学力学参数及初始条件和边界条件敏感，其过程不仅涉及流体动力学过程，还涉及复杂的化学力学过程，其研究难度极大，是目前燃烧领域的研究热点。


从领域的工程应用及爆炸力学的学科发展角度来看，对可燃气体爆炸过程及其机理的研究均十分必要。本书针对这一问题，建立了能描述气体爆炸过程中火焰加速、湍流燃烧和爆燃转爆轰的数值模拟控制方程组括直接数值模拟和大涡模拟，结合湍流模型和化学反应模型，在课题组构造的高精度数值算法的基础上，开发了高精度大规模并行程序。对可燃气体的低速层流火焰加速、爆燃转爆轰的全过行了数值模拟和实验研究，揭示火焰加速机理、爆燃到爆轰的转变机制及其影响因素。本书中的研究结果不仅补充和完善现有的可燃气体爆炸和爆燃转爆轰相关理论，而且推动这一科学领域的发展，而且对于工业爆炸灾害和治理具有重要的意义。