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[摘 要] 可燃气体爆炸的传播实际上是火焰传播和压力波传播过程的相互耦合，火焰和压力波相互影响，共同作用构成了强烈的破坏效应。本文主要探究火焰和压力波的传播机理，揭示二者之间的相互伴生关系，从而引出障碍物在可燃气体爆炸时对火焰和压力波的影响作用。
[关键词] 可燃气体；爆炸；伴生关系；障碍物
1、火焰的传播的机理
1.1 静电放电火花的点燃特性
可燃气体混合物在静止的条件下被火源点燃后，形成一团薄层的层流火焰，然后将其能量不断输送给邻近的预混气体。层流火焰的厚度一般为零点几毫米，由两个区域组成：反应区和预热区。在反应区，通过化学反应产生热量，随后这些热量通过传导和分子扩散的方式输送到预热区。在预热区，混合气被预热，这是预热区发生化学反应的先决条件[1]。因此，热传导和扩散的分子传递现象组成了层流火焰波的基本传播机理。在反应区中，燃烧产物温度很高，致使未燃烧的混合物受到压缩，产生一个前驱压力波。随着火焰的向前延伸，相对于反应的混合物来说，火焰以层流的形式传播，这样就形成了爆炸状态下典型的“两波三区”结构，爆燃过程的两波三区结构如图1所示。
e—比内能；P—压力；ρ—密度；u—粒子速度；c—声速；T—温度；γ—等熵指数
0区—初始状态；1区—前驱冲击波阵面过后流场状态；2区—爆燃波阵面通过后的流场状态
图1 爆燃过程的两波三区结构
预混气体在燃烧的过程中，如果火焰受到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会产生一定的压力，形成压力波，这个过程称为爆燃。爆燃是由前驱压力波和后随的爆炸波阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧波。它可以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失而沦为定压燃烧；相反，如果爆炸波的边界约束增强，压力波强度增强，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应区的压力波，就是爆轰波。
1.2 火焰的湍流传播
在火焰传播过程中，由于火焰的不稳定性会使火焰的表面产生褶皱，增大火焰表面的面积，因此增大了火焰的有效速度，从而导致火焰传播速度加快。在活性相对较低的碳氢混合物燃烧过程中，火焰的不稳定性对火焰传播的作用会受到压力波的限制。火焰传播过程进一步的加速只有在合适的刚性边界条件下才会发生，因为刚性的边界会诱导膨胀流的内部产生速度梯度和湍流的动机[2]。当燃烧过程接触到膨胀流的内部时，局部燃烧速率就会在几个方面增加。在速度梯度里火焰会被延伸，从而增加火焰面积和有效的燃烧速度。湍流不仅会增加热传递过程，而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃烧的混合物和燃烧产物之间的界面面积。刚发生湍流时，湍流强度较低，漩涡只会褶皱火焰表面和增加火焰的有效燃烧速度，当燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀流，强的膨胀流又会导致流速增加，而高的流速又将加大湍流的强度，在高强度的湍流的影响下，火焰会逐渐失去它原来的光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的漩涡有倾向于分裂火焰前驱，从而导致一个更高的燃烧速率，高的燃烧速率将又会产生更强的膨胀流和湍流。这样就会形成火焰加速的正反馈，火焰加速的正反馈机理如图2所示[3]。
产生湍流的原因一是当雷诺数足够大时，在火焰前的未燃气体流中形成湍流，二是压力波与火焰的相互作用形成湍流[4]。
湍流燃烧的基本特点是燃烧强化，化学反应速度大。这可以是下述因素之一或者共同引起的，即：
（1）湍流使火焰面弯曲褶皱，因此增大了反应面积。
（2）湍流增加了热量和活性物的输运速率，从而增大了燃烧速度。
（3）湍流可以加快已燃气体与未燃预混气的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。
然而，湍流是一种复杂的不定常的随机流动，湍流理论到目前为止尚未达到成熟阶段，人们对湍流的物理本质还不是很清楚。
2、压力波的传播机理
2.1 压力波的结构
从波结构来说，爆燃波与爆轰波有很大的区别。爆燃波的传播是亚音速的，这主要是由波后化学反应速率决定的；而爆轰波的传播是超音速的。亚音速传播的波阵面前方有前驱压力波扰动，因此火焰阵面是在已被扰动的介质中传播，形成前驱压力波阵面和火焰波阵面的两波三区结构。处于2区爆炸极限内的预混气体被点燃形成的高温高压气体迅速向远离火源方向运动，高温高压气体与0区的前方未扰动气体之间在压力、温度、速度等物理参数上存在突变，呈现出明显的波动效应，形成前驱压力波，两种气体的接触面为前驱压力波阵面。紧随前驱压力波后面的是爆炸波阵面，爆炸波阵面实际上是在已受扰动的1区的气体中传播。由于气体燃烧产生的化学能的补充，使压力波不断增强，火焰加速，成为一个带有化学反应区的压力波，即爆炸波，化学反应区维持着压力波向前传播。
可燃气体爆炸的超压分为五个阶段，即前驱压力波阶段、升压阶段、降压阶段、余波阶段和二次反冲阶段。在前驱压力波阶段中超压是逐渐升高的,从空间上来说,前驱冲击波不是一个超压突然上升的间断面,而是一个超压逐渐上升并且具有一定厚度的区域。而燃烧反应区同样也是具有一定厚度的区域,由于处于湍流状态,其最前端是弯曲皱褶甚至为已撕裂了的火焰面。可燃气体被点燃后,前驱压力波和燃烧反应区同时同地开始传播,二者有相互重叠的部分。前驱压力波的传播速度快,随着传播的进行,两个区域逐渐脱离,相距越来越远。当管道内爆炸状态从爆燃转变为爆轰时,两个区域间的距离又开始缩小。最大超压出现在升压阶段结束时,在爆燃状态下,此时处于火焰的燃烧阶段,即最大超压出现在火焰面后方的反应区内。
可燃气体爆炸的传播从时间上经历着传播和衰减两个阶段；从空间上，又可分为在预混气体中的以火焰波形式传播和火焰熄灭后在一般空气中的惰性冲击波传播。
2.2 压力波的破坏效应
压力波存在两个方面的破坏效应：一是正向压力波，即气体爆炸会产生高温高压的作用，爆源附近的气体以很大的速度向四周扩散，形成巨大的正向压力波进而造成人员伤亡、管道和器材设施破坏；二是反向压力波，即气体爆炸会产生的大量水蒸气由于温度降低而凝结，使爆源地区气压降低而引起的与原爆炸传播方向相反的冲击，由于反向冲击是沿着刚刚遭到破坏的管道反过来冲击，所以破坏作用更大。
3、火焰波与压力波的相互伴生关系
在可燃气体燃烧和爆炸的过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损失与燃烧及压力波有关。爆炸的实质就是可燃气体的高速燃烧。爆炸火焰引起的可燃物燃烧和压力波的力学破坏是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段。燃烧火焰和压力波构成了爆炸波。在爆炸过程中，燃烧火焰和压力波之间相互影响，相互作用，相互依存。若是没有压力波，爆炸也就蜕变成为定压燃烧，火焰的传播速度很慢，容易抑制，破坏性较小。若是没有了气体的燃烧，压力波就失去了能量的供给，其能量会随着传播而不断衰减，以至于最后消失[5]。
点火初期，由于爆炸火焰的传播速度较低，火焰所生成的压力波强度还很小，爆炸的超压值不是很明显，此时有一定的压力震荡，可以解释为火焰面因湍流作用而褶皱、卷曲，从而导致火焰传播极不稳定。随着燃烧过程的不断进行，由于管道壁面的粘性作用及障碍物的诱导，火焰传播速度的增大会使得管道内出现更加剧烈的湍流效应，爆炸波阵面因湍流效应而产生的褶皱不断加强，爆炸波阵面的面积增加，燃烧反应得到促进，从而加速爆炸火焰的传播，此时极有可能产生压力波[6]。
一方面，在可燃气体爆炸的传播过程中，随着爆炸火焰传播速度的增大，在同一时刻爆炸波火焰阵面与前驱压力波阵面的时间差逐步减小，火焰阵面将逐渐接近压力波阵面，存在火焰阵面与压力波阵面耦合的趋势，在一定条件下，可能达到爆轰的状态，形成危害性大、涉及面广的强爆炸。另一方面，随着爆炸火焰的加速，爆炸压力的超压值不断增大，爆炸强大显著增强，将会形成较强的爆炸波，其危害性也很大。
因此，在可燃气体爆炸的传播阶段，因火焰加速传播所导致的破坏效应是较为显著的，主要表现为爆炸压力波的传播速度加快，爆炸强度增大。
4、总结
可燃气体的爆炸是一个非常复杂的过程，它分为火焰的传播和压力波的传播两个重要方面。在可燃气体燃烧和爆炸的过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损失与燃烧及压力波有关。爆炸的实质就是可燃气体的高速燃烧。爆炸火焰引起的可燃物燃烧和压力波的力学破坏是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段，因此对火焰和压力波的同时抑制是减小爆炸危害的最有效方法。
阻隔爆装置正是基于上述原理，实现对可燃气体爆炸火焰的淬熄，尤其是对传播速度慢的火焰的极强的淬熄能力，同时具有吸能衰波的作用，能够抑制爆炸波能量的传播，降低爆炸强度。阻隔爆装置正是对火焰和压力波同时起到了抑制的作用。
参考文献：
[1] 王方编译．火焰学[M]．北京：中国科学技术出版社，1991：34-35
[2] 宋占兵．预混火焰在狭缝中的传播机理与熄灭条件的研究[D]．大连：大连理工大学，2005
[3] M．FAIRWEATHER，G．K．HARGRAVE，S．S．IBRAHIM，AND D．G．WALKER．Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J]．Combustion and flame，1999，116：504–518
[4] 菅从光，林柏泉，宋正昶等．湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用[J]．实验力学，2004，19(1)：39-44
[5] 周崇．管道内预混可燃气体爆炸与抑制的研究[D]．煤矿安全，2004：1
[6] 黎体发，张莉聪，徐景德．瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究[J]．矿业安全与环保，2005，32（2）：4-6
本课题受首都经济贸易大学科技创新项目资助 项目号CUEB2010005.
[关键词] 可燃气体；爆炸；伴生关系；障碍物
1、火焰的传播的机理
1.1 静电放电火花的点燃特性
可燃气体混合物在静止的条件下被火源点燃后，形成一团薄层的层流火焰，然后将其能量不断输送给邻近的预混气体。层流火焰的厚度一般为零点几毫米，由两个区域组成：反应区和预热区。在反应区，通过化学反应产生热量，随后这些热量通过传导和分子扩散的方式输送到预热区。在预热区，混合气被预热，这是预热区发生化学反应的先决条件[1]。因此，热传导和扩散的分子传递现象组成了层流火焰波的基本传播机理。在反应区中，燃烧产物温度很高，致使未燃烧的混合物受到压缩，产生一个前驱压力波。随着火焰的向前延伸，相对于反应的混合物来说，火焰以层流的形式传播，这样就形成了爆炸状态下典型的“两波三区”结构，爆燃过程的两波三区结构如图1所示。
e—比内能；P—压力；ρ—密度；u—粒子速度；c—声速；T—温度；γ—等熵指数
0区—初始状态；1区—前驱冲击波阵面过后流场状态；2区—爆燃波阵面通过后的流场状态
图1 爆燃过程的两波三区结构
预混气体在燃烧的过程中，如果火焰受到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会产生一定的压力，形成压力波，这个过程称为爆燃。爆燃是由前驱压力波和后随的爆炸波阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧波。它可以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失而沦为定压燃烧；相反，如果爆炸波的边界约束增强，压力波强度增强，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应区的压力波，就是爆轰波。
1.2 火焰的湍流传播
在火焰传播过程中，由于火焰的不稳定性会使火焰的表面产生褶皱，增大火焰表面的面积，因此增大了火焰的有效速度，从而导致火焰传播速度加快。在活性相对较低的碳氢混合物燃烧过程中，火焰的不稳定性对火焰传播的作用会受到压力波的限制。火焰传播过程进一步的加速只有在合适的刚性边界条件下才会发生，因为刚性的边界会诱导膨胀流的内部产生速度梯度和湍流的动机[2]。当燃烧过程接触到膨胀流的内部时，局部燃烧速率就会在几个方面增加。在速度梯度里火焰会被延伸，从而增加火焰面积和有效的燃烧速度。湍流不仅会增加热传递过程，而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃烧的混合物和燃烧产物之间的界面面积。刚发生湍流时，湍流强度较低，漩涡只会褶皱火焰表面和增加火焰的有效燃烧速度，当燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀流，强的膨胀流又会导致流速增加，而高的流速又将加大湍流的强度，在高强度的湍流的影响下，火焰会逐渐失去它原来的光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的漩涡有倾向于分裂火焰前驱，从而导致一个更高的燃烧速率，高的燃烧速率将又会产生更强的膨胀流和湍流。这样就会形成火焰加速的正反馈，火焰加速的正反馈机理如图2所示[3]。
产生湍流的原因一是当雷诺数足够大时，在火焰前的未燃气体流中形成湍流，二是压力波与火焰的相互作用形成湍流[4]。
湍流燃烧的基本特点是燃烧强化，化学反应速度大。这可以是下述因素之一或者共同引起的，即：
（1）湍流使火焰面弯曲褶皱，因此增大了反应面积。
（2）湍流增加了热量和活性物的输运速率，从而增大了燃烧速度。
（3）湍流可以加快已燃气体与未燃预混气的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。
然而，湍流是一种复杂的不定常的随机流动，湍流理论到目前为止尚未达到成熟阶段，人们对湍流的物理本质还不是很清楚。
2、压力波的传播机理
2.1 压力波的结构
从波结构来说，爆燃波与爆轰波有很大的区别。爆燃波的传播是亚音速的，这主要是由波后化学反应速率决定的；而爆轰波的传播是超音速的。亚音速传播的波阵面前方有前驱压力波扰动，因此火焰阵面是在已被扰动的介质中传播，形成前驱压力波阵面和火焰波阵面的两波三区结构。处于2区爆炸极限内的预混气体被点燃形成的高温高压气体迅速向远离火源方向运动，高温高压气体与0区的前方未扰动气体之间在压力、温度、速度等物理参数上存在突变，呈现出明显的波动效应，形成前驱压力波，两种气体的接触面为前驱压力波阵面。紧随前驱压力波后面的是爆炸波阵面，爆炸波阵面实际上是在已受扰动的1区的气体中传播。由于气体燃烧产生的化学能的补充，使压力波不断增强，火焰加速，成为一个带有化学反应区的压力波，即爆炸波，化学反应区维持着压力波向前传播。
可燃气体爆炸的超压分为五个阶段，即前驱压力波阶段、升压阶段、降压阶段、余波阶段和二次反冲阶段。在前驱压力波阶段中超压是逐渐升高的,从空间上来说,前驱冲击波不是一个超压突然上升的间断面,而是一个超压逐渐上升并且具有一定厚度的区域。而燃烧反应区同样也是具有一定厚度的区域,由于处于湍流状态,其最前端是弯曲皱褶甚至为已撕裂了的火焰面。可燃气体被点燃后,前驱压力波和燃烧反应区同时同地开始传播,二者有相互重叠的部分。前驱压力波的传播速度快,随着传播的进行,两个区域逐渐脱离,相距越来越远。当管道内爆炸状态从爆燃转变为爆轰时,两个区域间的距离又开始缩小。最大超压出现在升压阶段结束时,在爆燃状态下,此时处于火焰的燃烧阶段,即最大超压出现在火焰面后方的反应区内。
可燃气体爆炸的传播从时间上经历着传播和衰减两个阶段；从空间上，又可分为在预混气体中的以火焰波形式传播和火焰熄灭后在一般空气中的惰性冲击波传播。
2.2 压力波的破坏效应
压力波存在两个方面的破坏效应：一是正向压力波，即气体爆炸会产生高温高压的作用，爆源附近的气体以很大的速度向四周扩散，形成巨大的正向压力波进而造成人员伤亡、管道和器材设施破坏；二是反向压力波，即气体爆炸会产生的大量水蒸气由于温度降低而凝结，使爆源地区气压降低而引起的与原爆炸传播方向相反的冲击，由于反向冲击是沿着刚刚遭到破坏的管道反过来冲击，所以破坏作用更大。
3、火焰波与压力波的相互伴生关系
在可燃气体燃烧和爆炸的过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损失与燃烧及压力波有关。爆炸的实质就是可燃气体的高速燃烧。爆炸火焰引起的可燃物燃烧和压力波的力学破坏是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段。燃烧火焰和压力波构成了爆炸波。在爆炸过程中，燃烧火焰和压力波之间相互影响，相互作用，相互依存。若是没有压力波，爆炸也就蜕变成为定压燃烧，火焰的传播速度很慢，容易抑制，破坏性较小。若是没有了气体的燃烧，压力波就失去了能量的供给，其能量会随着传播而不断衰减，以至于最后消失[5]。
点火初期，由于爆炸火焰的传播速度较低，火焰所生成的压力波强度还很小，爆炸的超压值不是很明显，此时有一定的压力震荡，可以解释为火焰面因湍流作用而褶皱、卷曲，从而导致火焰传播极不稳定。随着燃烧过程的不断进行，由于管道壁面的粘性作用及障碍物的诱导，火焰传播速度的增大会使得管道内出现更加剧烈的湍流效应，爆炸波阵面因湍流效应而产生的褶皱不断加强，爆炸波阵面的面积增加，燃烧反应得到促进，从而加速爆炸火焰的传播，此时极有可能产生压力波[6]。
一方面，在可燃气体爆炸的传播过程中，随着爆炸火焰传播速度的增大，在同一时刻爆炸波火焰阵面与前驱压力波阵面的时间差逐步减小，火焰阵面将逐渐接近压力波阵面，存在火焰阵面与压力波阵面耦合的趋势，在一定条件下，可能达到爆轰的状态，形成危害性大、涉及面广的强爆炸。另一方面，随着爆炸火焰的加速，爆炸压力的超压值不断增大，爆炸强大显著增强，将会形成较强的爆炸波，其危害性也很大。
因此，在可燃气体爆炸的传播阶段，因火焰加速传播所导致的破坏效应是较为显著的，主要表现为爆炸压力波的传播速度加快，爆炸强度增大。
4、总结
可燃气体的爆炸是一个非常复杂的过程，它分为火焰的传播和压力波的传播两个重要方面。在可燃气体燃烧和爆炸的过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损失与燃烧及压力波有关。爆炸的实质就是可燃气体的高速燃烧。爆炸火焰引起的可燃物燃烧和压力波的力学破坏是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段，因此对火焰和压力波的同时抑制是减小爆炸危害的最有效方法。
阻隔爆装置正是基于上述原理，实现对可燃气体爆炸火焰的淬熄，尤其是对传播速度慢的火焰的极强的淬熄能力，同时具有吸能衰波的作用，能够抑制爆炸波能量的传播，降低爆炸强度。阻隔爆装置正是对火焰和压力波同时起到了抑制的作用。
参考文献：
[1] 王方编译．火焰学[M]．北京：中国科学技术出版社，1991：34-35
[2] 宋占兵．预混火焰在狭缝中的传播机理与熄灭条件的研究[D]．大连：大连理工大学，2005
[3] M．FAIRWEATHER，G．K．HARGRAVE，S．S．IBRAHIM，AND D．G．WALKER．Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J]．Combustion and flame，1999，116：504–518
[4] 菅从光，林柏泉，宋正昶等．湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用[J]．实验力学，2004，19(1)：39-44
[5] 周崇．管道内预混可燃气体爆炸与抑制的研究[D]．煤矿安全，2004：1
[6] 黎体发，张莉聪，徐景德．瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究[J]．矿业安全与环保，2005，32（2）：4-6
本课题受首都经济贸易大学科技创新项目资助 项目号CUEB2010005.