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安全带来威胁,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。可燃气体爆炸涉及到火焰加速、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,其包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,以及对爆炸灾害的预防和治理具有重要的理论和实际指导意义。本文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,具体研究工作如下:(1)结合建立的考虑粘性扩散和热传导的化学反应流体动力学N-S方程组,给出了壁面为非绝热条件下的热传导公式,利用高精度WENO数值格式离散方程组,实现了在考虑壁面热传导的情况下,能对火焰从弱点火逐渐加速到爆燃转爆轰的整个过程进行数值模拟。(2)通过研究壁面热传导对火焰加速及爆燃转爆轰的作用,发现壁面热传导使得火焰加速变慢,爆燃转爆轰时间和距离延长,并且爆轰波稳定传播时的速度降低;壁面热传导使得壁面处发生能量损失,削弱了由于燃烧产物的膨胀而促进管道内气体向上游流动的趋势,同时促进了火焰后方燃烧产物的逆向流动,从而降低了火焰加速率;壁面热传导导致火焰前方的压力波形成前导冲击波的时间推迟,减弱了火焰与压力波的相互耦合过程,由于边界层与流场的相互作用,绝热壁面边界层内未燃气体中能够形成超快火焰并在火焰面前方的边界层内传播,而热传导壁面边界层内没有出现超快火焰,而是在火焰前方出现早燃现象,最终触发了爆燃转爆轰。(3)基于建立的N-S方程组,通过空间过滤得到了LES控制方程组,结合亚格子尺度湍动能输运方程,封闭了亚格子尺度的湍流作用,对于化学反应动力学模型分别考察了小火焰模型、火焰面密度模型和增厚火焰模型,利用高精度WENO数值格式和TVD-Runge-Kutta格式,研发出了高精度大规模并行计算程序,最后实现了用LES方法模拟大尺度区域内火焰从点火到爆燃转爆轰波的整个过程。(4)通过研究管道宽度对爆燃转爆轰的影响,发现在毫米量级宽的管道内,火焰能够迅速加速并转变为爆轰,爆燃转爆轰距离随着管道宽的增加而增加;当管道宽度小于可燃气体的爆轰胞格尺寸时,爆轰波传播过程中没有出现明显的胞格结构,且爆轰波波速小于CJ爆速;随着管道宽度增加,火焰加速到爆轰经历的三个阶段越明显,爆轰波速度越接近CJ爆速,且由于横波的相互碰撞使得三波点的轨迹形成明显的胞格结构。(5)研究了矿井内瓦斯爆炸的过程,得到爆炸造成严重破坏的主要原因是由高速气流以及高温、高压燃烧产物导致的。瓦斯爆炸的危害距离远远大于瓦斯积聚区长度,随着瓦斯积聚区长度增加,最大爆炸超压值、气体流动速度和火焰传播距离都增加,且火焰区域长度与预混气体积聚区长度之比为5~7。(6)对小尺度管道内火焰加速及爆燃转爆轰的整个过程进行了数值模拟研究,通过对比数值模拟结果和实验结果,验证了数值模拟的有效性。在小尺度管道内,火焰与压力波和流场的相互作用促进了火焰加速;随后火焰与冲击波的相互作用使得压力不断升高,边界层内出现局部爆炸导致了爆轰转变,同时出现回爆现象;数值模拟结果还揭示了火焰面的演化过程。(7)针对大尺度长直管道内可燃气体爆炸过程,对比了实验结果和数值模拟结果,发现没有障碍物时,火焰很难转变为爆轰波,其速度为先增加后降低;当管道内存在障碍物时,火焰加速率增加,最终极易转变为爆轰波;由于障碍物使得通道截面积减小,气体流动速度增加,火焰成射流状并加速向前传播,绕过障碍物后,由于火焰前方未燃气体在环形障碍物右侧面绕射产生回旋区,诱发的湍流使得火焰面面积增加,火焰进一步加速传播;随着压力波在障碍物之间不断反射,相邻障碍物组成的燃烧腔内出现逆压梯度,同时壁面处形成回流,导致火焰传播速度下降,最终在障碍物之间火焰速度的表现形式为震荡式加速传播。