在能源转型的时代背景下,天然气作为高效清洁能源用量逐年攀升,由于其易燃易爆炸特性,同时也带来了不容忽视的安全隐患,相关爆炸事故层出不穷,严重威胁公民生命和财产安全。可燃气体爆炸过程中,爆炸所产生的压力波传播速度快,影响范围广,是造成严重爆炸后果的主要因素。因此,精准预测爆炸超压是进行有效安全管理,建立相应防护措施的关键途径。爆炸超压与火焰传播行为关系密切,然而经典超压预测模型未充分考虑障碍物对于火焰的加速效应,导致预测值与实验测量值偏差较大。鉴于此,本研究自主设计并搭建开敞空间气体爆炸实验平台,系统改变预混气浓度和障碍物结构,记录火焰传播行为和爆炸超压变化。基于刘易斯数、层流燃烧速度、热膨胀比以及填充比等参数,分析了预混气浓度和障碍物结构对火焰失稳加速过程的影响,获取了最大爆炸压力、最大升压速率以及爆炸超压冲量变化规律,建立了耦合流体动力学不稳定性和障碍物诱导湍流的爆炸超压预测模型,为开敞空间气体爆炸事故预防和减灾技术发展提供实验和理论依据。主要结论如下:甲烷-空气火焰在流体动力学不稳定性和障碍物诱导湍流的影响下,火焰燃烧表面积增大,火焰失稳加速,爆炸超压显著升高。流体动力学不稳定性在火焰半径较大时失稳作用凸显,且胞格的湮灭和重生使得火焰传播速度呈现振荡特性;障碍物壁面的“淬熄”效应阻碍热量积累和链式反应进行,可导致小幅度的速度振荡。最大爆炸压力在近场几乎不变;压力波在近场传播速度较低,在远场传播速度较快。化学计量比条件下,火焰传播速度较快,最大爆炸压力、最大升压速率和爆炸超压冲量较高。随着障碍物高度和单层障碍物数量的增大,火焰失稳效应增强,最大爆炸压力、最大升压速率和爆炸超压冲量增大;随障碍物横截面积增大,障碍物层数减少,最大火焰传播速度较高,平均火焰传播速度较低,最大爆炸压力、最大升压速率和爆炸超压冲量较小;填充比不能充分衡量障碍物对火焰传播速度和爆炸超压的影响。针对规则结构障碍物,利用自相似理论描述流体动力学不稳定性的失稳影响,采用增长系数β量化障碍物诱导湍流对火焰的加速作用,建立火焰传播速度与火焰半径的关系,基于单级子声源理论,得到开敞空间天然气爆炸超压预测模型,相比TNT当量模型和TNO多能模型等经典超压预测模型精度较高。