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随着国家工业现代化的快速推进,碳氢类可燃性气体作为清洁能源被普遍使用,这类重大危险源频繁地出现在生产、输运和存储过程中,经常因意外或人为原因泄漏,导致燃烧爆炸事故发生,事故数及经济损失逐年上升,严重威胁着物资储运、交通运输和工业生产的安全,而燃烧爆炸产生的火焰和压力波又容易破坏附近的工业装置和设备,造成更严重的安全事故。因此,本文侧重于在不同初始条件下甲烷的爆炸理论和特征的研究,为预防甲烷爆炸事故和应急救援等工作提供了重要的机理分析和技术支持。本文通过理论分析、数值模拟和实验研究的方法对在不同浓度、不同点火位置和不同初始压力下柱状空间内的甲烷爆炸传播规律进行系统深入的研究。根据中北大学设计的定容燃烧弹爆炸实验装置,利用Fluent软件按照1:1比例建立数值模拟模型,通过设置不同甲烷浓度的条件,模拟不同浓度下甲烷爆炸压力的传播规律。研究结果发现以下规律:爆炸压力峰值和爆炸压力上升速率峰值随甲烷浓度的变化呈现倒“V”型的二次函数关系,且在9.5%当量比浓度下爆炸压力峰值和压力上升速率峰值达到最大。在对甲烷爆炸的传播过程进行理论分析和数值模拟分析的基础上,运用定容燃烧弹爆炸实验装置进行实验,研究了不同浓度、不同点火位置和不同初始压力条件下柱状空间内甲烷爆炸传播规律的变化,分析实验结果得出以下结论:(1)甲烷浓度的高低直接影响到甲烷的爆炸传播过程。最大爆炸超压和压力上升速率峰值与甲烷浓度呈倒“V”型二次函数关系,爆炸压力峰值在10.5%浓度达到最大,压力上升速率峰值在9.5%浓度时最高。(2)在同一初始压力和甲烷浓度条件下,点火位置距离中心越近,甲烷爆炸压力上升速率越高,破坏力越大。(3)甲烷爆炸压力峰值和压力上升速率峰值随初始压力的增大成倍增加,呈线性上升趋势。随着初始压力的增大,点燃甲烷/空气混合气所需的能量越大。(4)甲烷爆炸经历三个阶段:爆炸压力上升阶段、爆炸压力高值区、爆炸压力衰减阶段。在压力衰减阶段,由于压力反射波的作用,压力传感器信号先下降到负值,然后缓慢回升至正常水平。(5)通过分析对比数值模拟结果和实验结果,验证了采用FLUENT软件模拟甲烷爆炸过程的可行性与合理性,定容燃烧弹爆炸实验结果的准确性和可靠性。