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軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究

文檔作者：楊國(guó)剛		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月04日
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大連理工大學(xué)
博士學(xué)位論文
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
姓名：楊國(guó)剛
申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士
專業(yè)：化工過(guò)程機(jī)械
指導(dǎo)教師：丁信偉
20050401
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
摘要
開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票际鹿适且活惼茐牧O強(qiáng)的工業(yè)災(zāi)害。深入研究因事故泄漏所
引發(fā)的可燃?xì)庠票ㄍ捌湎鄳?yīng)的規(guī)律，是創(chuàng)立抑制和預(yù)防此類工業(yè)災(zāi)害技術(shù)的理論
基礎(chǔ)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)環(huán)境中生成的可燃?xì)庠?，由?
受到諸多因素的影響，氣云形狀極其復(fù)雜，可燃?xì)夥植家矘O不均勻。為掌握氣云爆燃災(zāi)
害的內(nèi)在規(guī)律，設(shè)計(jì)了理想化的規(guī)則形狀的氣云幾何模型，并從可燃?xì)鉂舛染鶆蚍植嫉?
氣云爆燃入手，進(jìn)而對(duì)簡(jiǎn)化的非均勻分布?xì)庠票歼M(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下。
1．濃度均勻分布的軸對(duì)稱可燃?xì)庠票歼^(guò)程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究
基于Bakke一硒ertager燃燒模型、流體力學(xué)控制方程組、燃料氣體組分方程，建立了
考慮化學(xué)反應(yīng)的濃度均勻分布的半球形可燃?xì)庠票嫉亩S數(shù)學(xué)模型。
為求解該模型，對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行了研究。在現(xiàn)在SIMPLE算法基礎(chǔ)上，采用壓力校
正、速度校正、密度校正相結(jié)合的思想，推導(dǎo)出改進(jìn)的密度校正方程，并對(duì)計(jì)算流程進(jìn)
行了改進(jìn)，從而得到可用于開(kāi)敝空間可燃?xì)庠票剂鲌?chǎng)計(jì)算的算法。
采用vc++6．0語(yǔ)言編制了模擬程序。通過(guò)模擬，得到了氣云爆燃引發(fā)后爆燃流場(chǎng)的
變化、發(fā)展規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，探討了氣云爆燃過(guò)程中超壓的生成機(jī)理；考察了地面、
弱約束物、氣云形狀等因素對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響規(guī)律；預(yù)測(cè)、分析了工業(yè)大尺寸氣云的破
壞強(qiáng)度。
設(shè)計(jì)并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了各因素對(duì)爆燃超壓的影響規(guī)律，并為數(shù)
值模擬提供了考核數(shù)據(jù)。考核結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相應(yīng)結(jié)果基本吻合。
2．半球形高斯分布可燃?xì)庠票嫉臄?shù)值模擬
以可燃?xì)怏w呈簡(jiǎn)化的高斯分布的氣云為例，對(duì)非均勻分布的可燃?xì)庠票?，采用?shù)
值模擬的方法進(jìn)行了研究。經(jīng)數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)了該類氣云爆燃的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)與均勻
分布?xì)庠票冀Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩類氣云爆燃強(qiáng)度相差較大，并對(duì)這種差異產(chǎn)生的原
因進(jìn)行了探討。
3．障礙物對(duì)可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的影響研究
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
通常存在于爆燃災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的障礙物千差萬(wàn)別。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)研究，都
是針對(duì)各自的特定工況，很難利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)與推理。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的障礙物進(jìn)行
簡(jiǎn)化與理想化處理，設(shè)計(jì)了具有軸對(duì)稱性質(zhì)的半球環(huán)條柵形障礙物，選取具有代表性的
三個(gè)特性參數(shù)(障礙物半徑、條柵寬度、空隙寬度)，采用實(shí)驗(yàn)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)
合的方法，掌握了上述特性幾何參數(shù)對(duì)氣云爆燃強(qiáng)度的影響規(guī)律，為今后的系統(tǒng)研究奠
定較好的理論與實(shí)驗(yàn)分析基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：可燃?xì)庠?；爆炸；爆燃；濃度分布；?shù)值模擬；障礙物；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；
爆燃強(qiáng)度；超壓
II
塑墮整墊壅壅堡!旦簽皇墨墼堡墮里塞
Abstract
Deflagration of flammable gas cloud is a fatal disaster with great destructive power in
industry．Investigation into its explosive power and corresponding regulations is the theoretical
basis for explosion suppression and prevention technologies and is of important academic and
economical value．Formed under the practical industry environments，the gas cloud is random，
and its concentration is nonuniform due t0 complex influencing factors．In order to find the
intrinsic regulations of deflagration，ideal geometrical model using uniform gas cloud was built,
then nonuniform gas cloud Was studied in the continued work．Main work in this thesis iS as
fo】lows．
1．Numerical simulations and experimental investigations into deflagration of
eentrosymmetrieal gas cloud with uniform distribution
Based on Bakke-Hjertager combustion model，goveming equations ofhydrodynamics and
species equations，two—dimensional model on chemical reactions involved in gas cloud
deflagration in uniform distribution Was built．
To solve the model above，numerical methods were analyzed end investigated thoroughly．
Based on SIMPLE algorithm with the ideas that combined the correction of pressure，velocity
and density,improved density correction equations were deduced and Dew calculation for flow
was designed．The new numerical method caB．be used to simulate deflagration of gas cloud in
unconfined space．
Variations of gas cloud deflagration were simulated by compiled VC++6．0 programs．hl
addition，effects ofground，weak constraints and shapes ofgas clouds on deflagration intension
were discussed，and the deflagration intension of the large-sized gas cloud Was forecast and
analyzed．
Plentiful experiments were designed and carried out，and effects of various factors on
overpressure were obtained．Plentiful data were provided to evaluate numerical results and the
stIldy showed that the numerical results were in well agreement with experimental data．
2．Numerical investigations into semispherieal gas cloud deflagration in Gaussian
distribution
Deflagration of sernispherical gas cloud in Gaussian distribution was simulated，and
TTT
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deflagration intension was forecast．It was found that deflagration intension Was greatly
different from uniform gas cloud．The reasons wei'e analyzed in this thesis．
3．Investigations into effects ofbarriers in the gas cloud on deflagration intension
For the complexity of barriers in gas cloud on site of explosions，DO regular conclusion
has been obtained from the finished experimental investigations at home and neither has it been
reported．By idealizing barriers，axisymmeWical bar-shaped barrier was designed．Combining
artificial neural networks technology謝m experiments，effects of three typical parameters，
known as radius，bar width and spacing ofbarrier,Oil deflagration intension were obtained．The
work established firm basis for theoretical and experimental investigations for the future．
Keywords：Flammable gas clou也Explosion，Deflagration，Distribution of Concentration
Numerical Simulation Barrier,Artificial Neural Network,Deflagration intension，
Overpressure
Ⅳ
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
O前言
可燃?xì)怏w泄漏到大氣中，與空氣混合形成可燃?xì)庠?，遇到合適的火源可引發(fā)可燃
氣云爆燃事故，往往造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失與人員傷亡。它可發(fā)生在化工、石油、冶金、
煤炭、紡織，軍工等行業(yè)，涉及面廣，危害極大。因此，對(duì)可燃?xì)庠票歼M(jìn)行有效預(yù)
防與防護(hù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
可燃?xì)庠票嫉念A(yù)防與防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及的研究方向很多。例如可燃?xì)?
云形成的預(yù)測(cè)，氣云爆燃強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，防爆抑爆方法的研究等。其中，對(duì)可燃?xì)庠票?
燃強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，是提出防爆抑爆措施的重要基礎(chǔ)，該項(xiàng)研究是目前國(guó)內(nèi)外安全工程研
究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。
可燃?xì)庠票嫉钠茐哪芰Γ幢紡?qiáng)度(也有文獻(xiàn)稱為爆燃威力)，是一個(gè)很復(fù)雜
的概念。爆燃波由沖擊波與火焰波組成，它們都具有破壞能力，因此氣云的爆燃強(qiáng)度
為二者的破壞能力之和。在實(shí)際研究中，因?yàn)榛鹧鏈囟茸兓秶淮?約
1800K一2600K[5])，它的破壞能力可近似認(rèn)為是確定量，所以研究者最關(guān)心的是沖擊波
的破壞能力。目前，評(píng)價(jià)沖擊波強(qiáng)弱的常用指標(biāo)為超壓Ap，它是實(shí)測(cè)壓力與大氣壓之
間的壓力差，本文所指的爆燃強(qiáng)度即為“沖擊波超壓A p”。
可燃?xì)庠票际且环N快速的、非定常的、帶化學(xué)反應(yīng)的、受眾多物理因素影響的
流體力學(xué)過(guò)程，它比穩(wěn)態(tài)的燃燒或爆轟更復(fù)雜。因此，對(duì)可燃?xì)庠票紡?qiáng)度進(jìn)行研究
難度較大，雖然經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，但目前無(wú)論在理論上還是實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都沒(méi)有達(dá)
到成熟的階段，有待于進(jìn)一步的研究與發(fā)展。
在工程應(yīng)用中，人們關(guān)心的是某一廠區(qū)如果發(fā)生爆燃所能產(chǎn)生的最高強(qiáng)度。實(shí)踐
證實(shí)，同樣的可燃?xì)怏w泄漏量，形成均勻氣云時(shí)爆燃強(qiáng)度最高，因而均勻可燃?xì)庠凭?
成為最常見(jiàn)的研究對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)研究中，一般采用塑料薄膜把氣云約束成一定的形狀
和體積，來(lái)研究可燃?xì)怏w種類、濃度，氣云體積，以及障礙物等對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響。
在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究者提出了一些預(yù)測(cè)爆燃強(qiáng)度的簡(jiǎn)單方法。如多能模型法，使用者
只要事先假設(shè)爆燃等級(jí)，查閱圖表就可以得到不同位置的爆燃超壓。進(jìn)入八十年代后，
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法成為重要的研究手段，先后出現(xiàn)自相似法，能
量加入法，能量波模型法等方法。這些方法都假設(shè)氣云為半球形均勻氣云，在對(duì)化學(xué)
反應(yīng)與流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型后求解，得到壓力、溫度、密度等參
數(shù)隨時(shí)間、空間的分布規(guī)律。
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，受泄漏源性質(zhì)以及天氣條件的影響，會(huì)形成形狀各異，可燃?xì)?
體濃度分布極其復(fù)雜的氣云。對(duì)這種非均勻分布?xì)庠票紡?qiáng)度研究，文獻(xiàn)中只有少量
的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。
根據(jù)上述研究背景，本文研究工作將分為無(wú)障礙物與有障礙物氣云爆燃強(qiáng)度研究
兩部分。
第一部分，首先研究半球形均勻氣云爆燃，在其基礎(chǔ)上，再研究圓柱形均勻氣云
爆燃與符合高斯分布的非均勻氣云爆燃。將采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，著重
解決兩個(gè)問(wèn)題。一是能夠正確地反映爆燃過(guò)程中流場(chǎng)的變化規(guī)律，揭示超壓的生成機(jī)
理。二是通過(guò)對(duì)符合高斯分布的這種簡(jiǎn)單非均勻氣云的研究，為以后對(duì)任意形狀、任
意分布可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的研究奠定基礎(chǔ)。
第二部分，針對(duì)目前還無(wú)法對(duì)有障礙物氣云爆燃進(jìn)行精確模擬的現(xiàn)狀，采用實(shí)驗(yàn)
與人工神經(jīng)網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對(duì)氣云內(nèi)部具有規(guī)則形狀障礙物的氣云爆燃進(jìn)行研究，
以得到具有規(guī)律性的結(jié)論。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
1文獻(xiàn)綜述
本章將首先介紹可燃?xì)庠票际鹿实奈：σ约跋嚓P(guān)的研究方向，指出進(jìn)行可燃?xì)?
云爆燃強(qiáng)度研究的重要意義。然后介紹可燃?xì)庠票嫉奶攸c(diǎn)，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以及影響爆燃
強(qiáng)度的一些重要因素。最后在對(duì)國(guó)內(nèi)外可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究的實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)解析、數(shù)
值模擬等研究方法進(jìn)行評(píng)述基礎(chǔ)上，確定本文的研究技術(shù)路線。
1．1課題背景及意義
1．1．1可燃?xì)庠票际鹿实奈：?
可燃?xì)怏w或低沸點(diǎn)的可燃液體由于事故性泄漏形成可燃?xì)庠?，遇到合適的點(diǎn)火源
引發(fā)可燃?xì)庠票?fla苴lIIlable vapor cloud explosion)事故，可導(dǎo)致嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和
人員傷亡，是現(xiàn)代工業(yè)災(zāi)害中的主要形式之一[H】。氣體爆炸從機(jī)理上講分為兩類，一
是爆燃(deflagrafion)，二是爆轟(detonation)。一般認(rèn)為，可燃?xì)庠票ń^大多數(shù)為
爆燃，發(fā)生爆轟的可能性極小[11。
根據(jù)Kahn的研究，1926到1997年間，發(fā)生在各行各業(yè)的3222次大型事故中，
可燃?xì)庠票荚斐蓳p失約占總損失75％[21。
可燃?xì)庠票忌婕懊鎻V，危害性極大。它可發(fā)生在冶金、石油、煤炭、輕工、兵
工、藥物、化工以及交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)或部門(mén)。1974年6月1日，英國(guó)弗里堡化工廠，
由于管道破裂，致使約45噸環(huán)己烷泄漏，最后引發(fā)可燃?xì)庠票?，造?8人死亡，
89人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億美元[3,41。1989年6月3日，前蘇聯(lián)西伯利亞，由于輸
送碳?xì)淙剂系墓艿榔屏眩率勾罅咳剂闲孤┬纬芍睆郊s5英里的可燃?xì)庠?，?dāng)距泄漏
點(diǎn)0．5英里的鐵路上兩列火車交匯通過(guò)時(shí)引發(fā)爆燃，造成462人死亡，796人受傷，火
車全部被毀[I】。國(guó)內(nèi)，1993年lO月，南京金陵石油化工公司煉油廠，由于汽油泄漏引
起爆燃，2人死亡，損失幾千萬(wàn)人民幣。同月，北京燕山石化公司化工一廠，因乙烯泄
漏造成的爆燃，死亡2人，損失達(dá)二億人民幣[51。類似的事故舉不勝舉。隨著現(xiàn)代工業(yè)
的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，以及一些新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)的出現(xiàn)，使氣云爆燃災(zāi)害的潛在
可能性增加，事故的危害程度迸一步增大。因此，研究可燃?xì)庠票嫉某蔀?zāi)機(jī)理，提
出防災(zāi)減災(zāi)措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
7
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
1．1．2可燃?xì)庠票佳芯康闹饕芯糠较?
圖1-1是可燃?xì)庠票嫉氖鹿蕵?shù)模型[Il。
對(duì)圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生可燃?xì)庠票夹枰喾N適宜條件?？扇?xì)怏w或低沸
點(diǎn)液體泄漏到大氣中形成可燃?xì)庠?，如果可燃?xì)鉂舛仍诒紭O限之外，或沒(méi)有點(diǎn)火源，
氣云就會(huì)逐漸稀釋直至消失；而泄漏后立即點(diǎn)火，會(huì)引發(fā)火災(zāi)，危害性相對(duì)較小。
如果泄漏發(fā)生后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲，形成混合較好的可燃?xì)庠?，再遇到合適
的點(diǎn)火源可能引發(fā)可燃?xì)庠票?。從以前的事故?lái)看，延遲時(shí)間可以從幾秒到幾十分
鐘，泄漏的燃料量由幾十公斤到幾十噸不等。取決于可燃?xì)庠菩再|(zhì)、氣云所受約束情
況等不同條件，爆燃所造成的破壞效應(yīng)差別很大。既可引起人員傷亡，設(shè)備損壞等災(zāi)
難性后果，也可不造成破壞性影響。一般來(lái)說(shuō)，由于多米諾效應(yīng)，爆燃會(huì)引發(fā)火災(zāi)以
及沸騰液體膨脹氣化爆炸等連鎖反應(yīng)【8一，破壞力也大大增強(qiáng)。
針對(duì)爆燃災(zāi)害發(fā)生的不同階段，可燃?xì)庠票佳芯靠煞譃槿齻€(gè)完全獨(dú)立而又相互聯(lián)
系的研究方向。首先，是可燃?xì)庠菩纬傻难芯?，即根?jù)泄漏源的性質(zhì)，天氣等的不同
情況，來(lái)研究氣云的形狀以及可燃?xì)鉂舛确植?。其次，是可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的研究，
即針對(duì)不同的氣云狀況，預(yù)測(cè)其爆燃強(qiáng)度。最后，是防爆抑爆方法的研究[1¨17]。
上述三個(gè)研究方向各有側(cè)重，都非常重要。其中，可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究起到承上
啟下的作用，并且研究難度相對(duì)較大，各方面投入也較大，是目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的
一個(gè)熱點(diǎn)。因此，本文選擇可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究為具體研究方向。
圖1-1可燃?xì)怏w或低沸點(diǎn)液體泄露引發(fā)的事故樹(shù)模型
Table 1-1 Accidental tree model induced by leakage offlammable gas or low boiling point liquid
塑塾整竺塞叁笪里塑墨墨燮璺塞墮壅——
1．1．3可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究的國(guó)內(nèi)外開(kāi)展情況
可燃?xì)庠票嫉膹?qiáng)度研究，開(kāi)始于上世紀(jì)五十年代。七十年代，位于北歐的北海
油田得到大規(guī)模開(kāi)發(fā)，出于安全及經(jīng)濟(jì)上的考慮，各大石油公司投入巨資支持研究工
作。挪威的CMR(Christian Michelsen Research)、荷蘭的TNO(the Netherlands
Organization for Applied Scientific Research)、丹麥的Shell G10bal Solutions等專業(yè)研究
機(jī)構(gòu)先后成立。九十年代，上述機(jī)構(gòu)在歐共體的資助下，并聯(lián)合了一些其它研究單位，
先后進(jìn)行了MERGE(Modeling and Experimental Research into Gas Explosions)，
EMERGE(Extended Modeling and Experimental Research into Gas Explosions)等項(xiàng)目的
研究。這是迄今為止世界上投入最多，規(guī)模最大，成果最多的兩個(gè)研究項(xiàng)目。另外，
美國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)也有機(jī)構(gòu)進(jìn)行該方面的研究，取得了不少的成果。
國(guó)內(nèi)從事氣體燃燒、爆炸方面研究的單位有：中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)
礦業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、東北大學(xué)等單位。就具體
研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這些研究單位各有側(cè)重。南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)原隸屬于兵器
部，研究工作大多帶有軍事色彩，因此氣云爆轟(FAE，F(xiàn)uegAJr Explosion，燃料空氣
炸彈的爆炸形式)研究開(kāi)展的較多，中國(guó)科學(xué)院、東北大學(xué)也做了一些類似的研究工
作；中國(guó)科技大學(xué)依托火災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在火災(zāi)研究領(lǐng)域具有較高水平；中國(guó)礦
業(yè)大學(xué)的研究貝fj主要針對(duì)井下瓦斯爆燃。上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，大連理工大學(xué)開(kāi)始從
事可燃?xì)庠票紡?qiáng)度方面的研究，先后得到國(guó)家、省自然科學(xué)基金委員會(huì)的多項(xiàng)資助
(見(jiàn)表1．1)，在國(guó)內(nèi)可燃?xì)庠票佳芯款I(lǐng)域占有重要地位。
表1．1大連理工大學(xué)承擔(dān)的研究項(xiàng)目
Tablel一1 Research items taken by DLUT
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
總的來(lái)說(shuō)，可燃?xì)庠票际且环N快速的、非定常的、帶化學(xué)反應(yīng)的、受眾多物理
因素影響的流體力學(xué)過(guò)程，它比穩(wěn)態(tài)的燃燒或爆轟更復(fù)雜。因此，可燃?xì)庠票紡?qiáng)度
研究面臨很多困難，目前雖然已能解決一些工程問(wèn)題，但無(wú)論在理論上還是實(shí)驗(yàn)技術(shù)
上都沒(méi)有達(dá)到成熟的階段，有待于進(jìn)一步的研究與發(fā)展。
1．2可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究的相關(guān)理論基礎(chǔ)
1．2．1可燃?xì)庠票嫉幕拘问郊疤攸c(diǎn)
人們熟悉的火藥、炸藥等爆炸統(tǒng)稱為理想爆源爆炸。該類爆炸具有如下特點(diǎn)：爆
源能量密度較高；破壞的主要形式是空氣沖擊波，初始爆炸壓力可達(dá)到50Mpa量級(jí)；
起爆時(shí)間短，微秒量級(jí)即可發(fā)展成爆轟；爆源體積可以忽略不計(jì)。
可燃?xì)庠票ㄐ问酱蠖酁楸?，能量釋放速率較低，爆炸場(chǎng)參數(shù)與爆源的體積、
能量密度關(guān)系較大[t8,19]。因此，與上述理想爆源爆炸相比較，又被稱為非理想爆源爆
炸。
可燃?xì)庠票紡谋举|(zhì)上講是可燃?xì)怏w的燃燒過(guò)程。氣體燃燒分為四個(gè)基本形式，
在不同條件下，這些形式又可以互相轉(zhuǎn)換[5】。
f1)定壓燃燒(Constant Pressure Combustion)
定壓燃燒是無(wú)約束敞開(kāi)型燃燒。燃燒產(chǎn)物能及時(shí)向后排放，壓力始終保持與初始
環(huán)境壓力相平衡，系統(tǒng)壓力是恒定的。
(2)定容爆炸(Constant Volume Combustion)
定容爆炸是燃料混合物在剛性容器中，均勻地同時(shí)點(diǎn)火時(shí)所發(fā)生的燃燒過(guò)程。此
為理想模型，實(shí)際情況是不大可能均勻同時(shí)點(diǎn)火，常見(jiàn)的是局部點(diǎn)火，然后擴(kuò)展到整
體。由于爆炸過(guò)程進(jìn)行很快，密閉容器中局部點(diǎn)火所形成的參數(shù)與定容爆炸相差無(wú)幾，
可用定容爆炸模型來(lái)處理。定容爆炸過(guò)程中，容器體積保持不變，混合氣密度也就不
變，壓力隨釋放的化學(xué)能的增加而增加。對(duì)大多數(shù)烴類燃料和空氣的混合物，在化學(xué)
計(jì)量濃度下，定容爆炸的壓力大約為初始?jí)毫Φ?～8倍。
(3)爆燃(Deflagration)
可燃?xì)庠票ㄍǔ儆诒歼^(guò)程。在爆燃過(guò)程中，火焰陣面在預(yù)混氣云中向前傳
播，已燃?xì)怏w由于溫度升高產(chǎn)生向前的膨脹流動(dòng)，就如同活塞一樣沖擊前面的未燃?xì)?
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
體，產(chǎn)生與火焰陣面同向傳播的沖擊波。因此爆燃波具有兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖I-2所
示。兩波即為沖擊波與火焰面，它們把整個(gè)流場(chǎng)分為三個(gè)區(qū)域，0區(qū)為可燃混合氣的初
始狀態(tài)；i區(qū)為前驅(qū)沖擊波通過(guò)后的狀態(tài)，為已擾動(dòng)區(qū)；2區(qū)為火焰面通過(guò)后的狀態(tài)。
乞，巴，p。j￡L二≯氣暑。三蠔}_二孕．％，昂O．N島，‰
e．比內(nèi)能； u．粒子速度：C一音速： 午等熵指數(shù)
圖I-2爆燃波的兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)
Fig．1-2TwoWaVCS andtllree areaofdeflagrafionW'aVe
爆燃過(guò)程中火焰速度變化范圍較寬，可從lm／s直到500～1000m／s；沖擊波引起的
超壓變化范圍為幾kPa至幾百kPa之間。
爆燃是氣體燃燒的一種不穩(wěn)定狀態(tài)。它可以因約束的減弱，排氣及時(shí)而使沖擊波
減弱，直至沖擊波消失而淪為定壓燃燒。相反如果爆燃的約束增強(qiáng)，火焰加速，直至
火焰陣面追趕上前驅(qū)沖擊波陣面，火焰陣面和沖擊波陣面合二為一，成為一個(gè)帶化學(xué)
反應(yīng)區(qū)的沖擊波，就轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。
(4)爆轟(Detonation)
爆轟是氣體燃燒的最高形式，與爆燃相比，是完全不同的燃燒模式。爆轟波只具
有一波兩區(qū)結(jié)構(gòu)，一波為帶化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，它把流場(chǎng)分為已燃與未燃兩區(qū)。爆轟
波相對(duì)于波前未反應(yīng)物來(lái)說(shuō)是超音速傳播的，其典型速度為每秒幾km量級(jí)。大多數(shù)碳
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氫化物和空氣化學(xué)計(jì)量濃度混合物，典型的爆轟壓力為1．5Mpa量級(jí)，純氧中爆轟壓力
可提高一倍左右[20-261。
慢速爆燃模式很容易實(shí)現(xiàn)，只需用一個(gè)很弱的點(diǎn)火源點(diǎn)火即可。例如，只要用零
點(diǎn)幾毫焦的電火花源就可引起爆燃。而對(duì)大多數(shù)燃料／空氣混合物，直接激發(fā)爆轟需要
大約103～106J的起爆能量。
在適當(dāng)?shù)臈l件下，爆燃可以突然轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，此過(guò)程稱為“DDT”(Deflagrationto
DetonationTransition)。在實(shí)際情況下，有許多因素可使爆燃加速到爆轟狀態(tài)。例如，
管道內(nèi)，火焰行進(jìn)通道上連續(xù)布有障礙物，且管道足夠長(zhǎng)，就能使火焰連續(xù)加速，爆
燃就可能轉(zhuǎn)變成爆轟?？扇?xì)庠瓢l(fā)生爆轟則較為困難，需要有局部密閉或形成湍流加
速條件，或外加強(qiáng)刺激源，才有可能使爆燃轉(zhuǎn)變成爆轟。通過(guò)對(duì)以往氣云爆炸事故分
析，實(shí)際發(fā)生爆轟的情況極少[1Io
1．22可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
可燃?xì)庠票嫉钠茐哪芰?，即爆燃?qiáng)度(也有文獻(xiàn)稱為爆燃威力)，是一個(gè)很復(fù)雜
的概念。爆燃波由沖擊波與火焰波組成，它們都具有破壞能力，因此氣云的爆燃強(qiáng)度
為二者的破壞能力之和。在實(shí)際研究中，因?yàn)榛鹧鏈囟茸兓秶淮?約
1800K-2600KiS])，它的破壞能力可近似認(rèn)為是確定量，所以研究者最關(guān)心的是沖擊波
的破壞能力。目前，評(píng)價(jià)沖擊波強(qiáng)弱的常用指標(biāo)為超壓△P，它是實(shí)測(cè)壓力與大氣壓之
間的壓力差，本文所指的爆燃強(qiáng)度即為“沖擊波超壓△P”。表1-2為沖擊波超壓可能
造成的破壞效果。
表1-2爆炸超壓對(duì)結(jié)構(gòu)及人員的破壞作用口q
Table 1-2 Explosion overpressure effects Oil structure or people
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
1．2．3影響可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的因素
可燃?xì)庠票际且粋€(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，涉及到的影響因素眾多。其中主要的
影響因素有：可燃?xì)庠频奶匦?、周圍環(huán)境、天氣情況、以及點(diǎn)火源特性等。
1．2．3．1可燃?xì)庠铺匦?
可燃?xì)怏w泄漏到大氣中，與空氣混合形成可燃?xì)庠?。可燃?xì)庠频男再|(zhì)不僅影響氣
云爆燃的強(qiáng)度，而且與氣云的點(diǎn)火難易程度有關(guān)。影響可燃?xì)庠菩再|(zhì)主要有以下幾個(gè)
因素。
(1)形成氣云的可燃?xì)怏w種類
可燃?xì)庠票嫉目赡苄约昂蠊诤艽蟪潭壬先Q于可燃?xì)怏w種類。在相同的外界
環(huán)境中，不同種類的可燃?xì)庠票紡?qiáng)度不同，主要是因?yàn)榭扇細(xì)怏w的活性不同。可燃
氣體反應(yīng)活性越強(qiáng)，分子擴(kuò)散快，則它爆燃產(chǎn)生的火焰速度和超壓值越高，產(chǎn)生爆轟
的可能性也越大。一般按反應(yīng)活性高低，把可燃?xì)怏w分為三類，見(jiàn)表1-3。
表1-3可燃?xì)怏w按照反應(yīng)活性分類‘1翔
Table 1-3 Reaction activity offlammable gas
可燃?xì)怏w密度雖然不影響氣云爆燃強(qiáng)度，但對(duì)可燃?xì)庠频男纬捎兄匾绊憽Ｃ芏?
相對(duì)于空氣小的可燃?xì)怏w在空氣中將向上漂移，不會(huì)在地面上形成很大的氣云，這能
夠減小近地面物體所受爆燃的危害；密度較大的可燃?xì)怏w泄漏時(shí)貼著地面運(yùn)動(dòng)，可進(jìn)
入隧道、地下溝槽及其他一些受到限制的區(qū)域，這有利于在地面上形成體積較大的氣
云，潛在的危害就比較大【l】。
在預(yù)測(cè)可燃?xì)庠票嘉：r(shí)，需要綜合考慮可燃?xì)怏w的反應(yīng)活性和密度。例如，
氫氣的密度很小，形成的氣云也很小，但是它的反應(yīng)活性很大，爆燃時(shí)在某些區(qū)域形
成的局部壓力很大，極易產(chǎn)生爆轟，所以其危害也很大。
(2)可燃?xì)怏w的濃度【lj
預(yù)混氣云只有可燃?xì)怏w濃度適當(dāng)(在上、下可燃極限之間)時(shí)才能被引爆?？扇?
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氣體含量越接近上、下可燃極限，燃燒速度越低，爆燃強(qiáng)度越低。在密閉容器中，當(dāng)
可燃?xì)怏w以上、下可燃極限的比例與空氣混合并且引爆，此時(shí)產(chǎn)生的壓力是初始?jí)毫?
的扣5倍；當(dāng)可燃?xì)怏w與空氣以化學(xué)計(jì)算濃度配比引爆時(shí)，產(chǎn)生的壓力可達(dá)初始?jí)毫?
的7~8倍。
可燃?xì)怏w和空氣混合物的燃燒速度和放熱量均隨濃度而變化。化學(xué)計(jì)量濃度的
1．1～1．5倍為最危險(xiǎn)濃度，其燃燒速度及相應(yīng)的爆燃反應(yīng)熱也將達(dá)到極大值，在此濃度
下，爆燃強(qiáng)度最高，破壞效應(yīng)最嚴(yán)重。
(3)可燃?xì)庠频木鶆蚨却?
可燃?xì)怏w在高壓下發(fā)生泄漏通常形成不均勻的預(yù)混氣云，爆燃所產(chǎn)生的超壓要小
于以化學(xué)計(jì)量配比混合形成的均勻氣云爆燃時(shí)的情況。預(yù)混氣云的均勻度通常受到泄
漏氣體噴射的方向、速度，氣云的積存時(shí)間，可燃?xì)馀c空氣的密度差等因素的影響。
(4)氣云的尺寸[1】
一般情況下，可燃?xì)庠瞥叽缭酱?，爆燃?qiáng)度越高，但二者之間并不呈明顯的正比
例關(guān)系[27J281。絕對(duì)尺寸相差較大的小尺寸和大尺寸氣云，爆燃模式及燃燒具體情況有
較大差別，使得整個(gè)爆燃過(guò)程不具有相似性，所以它們不能夠用尺寸縮放法來(lái)相互預(yù)
測(cè)，存在障礙物的情況下尤其如此。
1．2．3．2周圍環(huán)境對(duì)爆燃的影響
(1)地形條件的影響[11
地形條件對(duì)氣云爆燃影響很大。例如在山洼處，可燃?xì)庑孤r(shí)可燃?xì)庠瓢l(fā)生積聚，
容易形成體積較大的氣云。爆燃過(guò)程中，產(chǎn)生的沖擊波受到周圍山體的反射，強(qiáng)度也
會(huì)升高。
在可燃?xì)怏w泄漏點(diǎn)附近，如果存在隧道、溝槽等地形情況，可燃?xì)怏w進(jìn)入這些區(qū)
域并形成氣云。如果在其內(nèi)部點(diǎn)火，會(huì)產(chǎn)生較高的超壓。爆燃波傳播到地面引發(fā)二次
爆燃，這樣的爆燃強(qiáng)度要高于直接在地面點(diǎn)火時(shí)的情形。
(2)約束物與障礙物對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響【1】
約束物(confinement)是指在氣云邊界，把氣云限制成一定體積和形狀的物體。
如果可燃?xì)怏w的泄漏發(fā)生在室內(nèi)，墻壁就是約束物；如果泄漏發(fā)生在室外，比較高大
的建筑物，或是附近的山體就可能是約束物。
14
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
障礙物(obstruction)是指在氣云內(nèi)部，在爆燃過(guò)程中火焰波會(huì)與其發(fā)生碰撞，并
最終能夠越過(guò)的物體。
如果可燃?xì)庠圃谟型獠考s束的區(qū)域形成，則爆燃產(chǎn)生的超壓上升，潛在的危害就
要增大。氣云所受的外界約束越多、越大、越復(fù)雜，爆燃產(chǎn)生的超壓就越高。在其他
條件相同的情況下，一維傳播的可燃?xì)庠票妓a(chǎn)生的超壓最高，二維傳播時(shí)次之，
而三維傳播時(shí)最低。因此，管內(nèi)氣云爆燃超壓最高，兩平板之間氣云爆燃超壓次之，
球形氣云爆燃超壓最小129】。
可燃?xì)庠票紩r(shí)，在火焰到達(dá)障礙物之前，未燃混合物的平移流動(dòng)就建立了速度
梯度場(chǎng)和圍繞障礙物的伴隨流場(chǎng)：火焰到達(dá)障礙物后，隨著火焰沿速度梯度場(chǎng)的聚匯，
火焰表面被迅速拉伸，在尾跡流中剪切層使局部燃燒速度得到相當(dāng)程度的增大。而隨
著火焰陣面在速度梯度場(chǎng)中傳播，整個(gè)火焰陣面發(fā)生“伸長(zhǎng)和折疊”?；鹧娴淖冃螌?
在一個(gè)較大表面上消耗可燃?xì)怏w和氧氣，導(dǎo)致熱釋放率增加，燃燒速度增加：較高的
燃燒速度又導(dǎo)致了火焰前面未燃混合物有較大的平移速度，引起速度梯度的進(jìn)一步增
大，導(dǎo)致了更強(qiáng)烈的火焰伸長(zhǎng)和折疊，進(jìn)而又使燃燒速度增加，從而使爆燃強(qiáng)度提高。
這被稱為氣體流動(dòng)與燃燒過(guò)程之間的正反饋機(jī)理[30’31]。圖1-3為這種機(jī)理的示意圖。
點(diǎn)火引爆
J 火焰層流膨脹
i未燃?xì)饬髟诠瘫诮缑嫘纬杉羟泻退俣忍荻菾
未未燃燃混混合合物物平平移移流動(dòng)流戔bb ff 燃燒速度提高
速度梯度場(chǎng)和繞障礙物的伴隨流場(chǎng)建立熱釋放率增加
+ t
火焰陣面伸長(zhǎng)、折疊卜-—啦較大表面上消耗可燃?xì)怏w和氧氣
圖1-3氣體流動(dòng)與燃燒過(guò)程之間的正反饋機(jī)理方框圖
Fig 1-3 Diagram ofpositive feedback between gas flow and combustion
1．2．3．3天氣情況的影響【1]
天氣情況對(duì)可燃?xì)庠频男纬膳c爆燃強(qiáng)度都有較大影響?？扇?xì)怏w發(fā)生泄漏時(shí)，如
果風(fēng)力較大則不易形成可燃?xì)庠?。氣云引爆后，如果遇到雨、雪、霧等天氣，空氣中
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濕度較大，水汽蒸發(fā)吸收大量熱量，使火焰溫度降低，降低爆燃強(qiáng)度，甚至使火焰完
全熄滅。
可燃?xì)怏w在大氣中擴(kuò)散形成氣云，大氣溫度越高，可燃?xì)怏w與大氣之間的擴(kuò)散越
快，越有利于可燃?xì)庠频男纬珊图铀倬鶆蚧囟仍礁?，氣云初始能量越大，越有?
于點(diǎn)火和產(chǎn)生大的超壓。Phylaktou通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，三種碳?xì)浠衔?Cz地，C3H8，CIG)
與空氣的混合物燃燒，火焰速度D，隨初始溫度而的升高而增加。它們之間的關(guān)系大致
是：D，一臂，m在1．5以之間[32】。歐共體進(jìn)行的MERGE項(xiàng)目，采用實(shí)驗(yàn)分析的方
法，確定了火焰速度和超壓之間的關(guān)系[33]。
1．2．3．4點(diǎn)火能量、點(diǎn)火位置的影響[1】
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的靜電，電閘跳電、電機(jī)起動(dòng)引起的火花，以及高溫物體表面都可
作為點(diǎn)火源引發(fā)氣云爆燃。這種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的點(diǎn)火源被稱為弱點(diǎn)火源剛，點(diǎn)火能量
一般小于100ruff。相對(duì)應(yīng)，雷管等強(qiáng)點(diǎn)火源，點(diǎn)火能量一般大于103J。
點(diǎn)火能量對(duì)可燃?xì)庠票加兄匾绊慬35川】。采用弱點(diǎn)火源時(shí)，可燃?xì)庠票ㄖ荒?
發(fā)生爆燃，超壓在kPa量級(jí)。而采用強(qiáng)點(diǎn)火源(如高能炸藥)點(diǎn)火時(shí)，則有可能直接
引發(fā)爆轟，超壓可達(dá)MPa量級(jí)。這主要用于軍事目的，己超出工業(yè)可燃?xì)庠票紴?zāi)害
研究范疇。
點(diǎn)火位置不同可以引起爆燃超壓數(shù)量級(jí)的變化。在可燃?xì)庠浦行狞c(diǎn)火，爆燃超壓
要高于在氣云邊緣處點(diǎn)火；在局部受約束區(qū)域(如一端開(kāi)口的容器)，在容器內(nèi)部點(diǎn)火，
超壓要高于開(kāi)口處點(diǎn)火。
1_3可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究方法
可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究中，實(shí)驗(yàn)是最早采用的方法。本節(jié)把實(shí)驗(yàn)研究分為四類，
分別進(jìn)行評(píng)述。
1．3．1內(nèi)部無(wú)障礙物的可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)
這類實(shí)驗(yàn)最早見(jiàn)于1965年，Thomas[38】在肥皂泡中充入乙烯與空氣混合氣，進(jìn)行
了小規(guī)模實(shí)驗(yàn)。這種方法可以忽略約束物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，但得到的氣云直徑較小，
只有幾厘米到幾十厘米。后來(lái)，人們以聚乙烯薄膜代替肥皂泡，并經(jīng)Lind和Whiston[39】
16
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，薄膜的存在未對(duì)爆燃火焰的傳播產(chǎn)生較大影響，由此該方法得以推廣，
實(shí)驗(yàn)規(guī)模也得以擴(kuò)大[40--42]。
畢明樹(shù)等【43塒1進(jìn)行了可燃?xì)鉂舛染鶆蚍植嫉陌肭蛐慰扇細(xì)庠票紝?shí)驗(yàn)研究，可燃
氣體為7．75％的乙炔，氣云半徑為0．3～i．5m。研究發(fā)現(xiàn)，氣云爆燃超壓與氣云初始半
徑的平方(體積的2，3次方)成正比，與離開(kāi)爆源中心的距離成反比，即
p：彳籃
，
對(duì)按化學(xué)計(jì)量配比的乙炔與空氣預(yù)混氣云，A=0．0312。氣云爆燃的最大超壓發(fā)生在約2
倍氣云初始半徑處。
羅正鴻[48]進(jìn)行了可燃?xì)鉂舛染鶆蚍植嫉膱A柱形可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)研究，可燃?xì)怏w
為7．75％的乙炔，氣云體積為O．26m3。通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察氣云形狀因子(高徑比)對(duì)爆燃
強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣云爆燃超壓與氣云形狀有關(guān)，半球形氣云爆燃超壓最高，
圓柱形氣云爆燃超壓隨著形狀因子的增大而升高。
圓柱形氣云與半球形氣云相比，由于在幾何上已不具備中心對(duì)稱的特點(diǎn)，所以在
爆燃時(shí)流場(chǎng)變化也更加復(fù)雜。受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，羅正鴻的實(shí)驗(yàn)中僅測(cè)量了氣云外
兩點(diǎn)超壓值。針對(duì)此不足，本文第4章將采用數(shù)值模擬的方法對(duì)整個(gè)爆流場(chǎng)的變化過(guò)
程進(jìn)行模擬。
孫博㈣、畢明樹(shù)【50j11等對(duì)氣云外部平板對(duì)沖擊波的加強(qiáng)作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?？扇?
氣云半徑為0．5m，可燃?xì)怏w為7．75％的乙炔。氣云外布置平板形障礙物，平板距球心的
距離分別為0．57m和lm，平板的布置分為單板、雙板垂直、雙板平行、3板槽形和4板口
形放置5種方式。研究發(fā)現(xiàn)，障礙物對(duì)沖擊
波有加強(qiáng)作用。平板數(shù)量越多或平板之間越
緊湊，超壓越高。當(dāng)平板位于火焰擴(kuò)展最外
邊界之內(nèi)時(shí)，會(huì)引起火焰變形，增加火焰擾
動(dòng)速度，從而大幅度增加爆燃越壓。
上述實(shí)驗(yàn)均采用預(yù)混氣云，氣云內(nèi)部可
燃?xì)怏w分布均勻。此外，羅正鴻[52l進(jìn)行了非
預(yù)混可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩類，一
類采用自由擴(kuò)散氣云，即把氣云用聚乙烯薄
圖14實(shí)驗(yàn)裝置布置圖(強(qiáng)制擴(kuò)散)
Fig．1_4 Schematic diagram ofexperiment
rig(forced leaking)
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膜約束成半球形，在實(shí)驗(yàn)前把薄膜破壞掉，延遲一定時(shí)間后點(diǎn)火；第二類是采用強(qiáng)制
擴(kuò)散形成非均勻分布?xì)庠?，氣云形成裝置見(jiàn)圖1-4。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論自然擴(kuò)散還是強(qiáng)制
擴(kuò)散，氣云濃度都很難接近化學(xué)計(jì)量比濃度，爆燃強(qiáng)度明顯降低。
1．3．2局部約束或有障礙物的可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)
可燃?xì)庠票紩r(shí)，如果氣云局部受到約束或內(nèi)部存在障礙物，爆燃強(qiáng)度都會(huì)得到
加強(qiáng)。在可燃?xì)怏w泄漏點(diǎn)附近，常常存在的管道、裝置、設(shè)備、建筑物等，使這種情
況發(fā)生具有現(xiàn)實(shí)必然，A[53,541。
(1)Harrison and Eyre實(shí)驗(yàn)[55j6】
Harrison and Eyre實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1-5，為～楔形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)是高十米的圍墻，前、
后及上部用聚乙烯薄膜封閉。氣云內(nèi)部設(shè)有由中315ram管子組成的排管型障礙物，可
燃?xì)怏w選用天然氣，點(diǎn)火源設(shè)在氣云寬度較窄的一側(cè)，壓力傳感器與火焰探測(cè)器置于
地面上。實(shí)驗(yàn)研究了排管的空間占有率與排管間距對(duì)氣云爆燃的影響。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，
最高火焰速度超過(guò)100rrgs，最大超壓超過(guò)20kPa。
(2)MERGE實(shí)驗(yàn)舊
圖1-5 Harrison andEyre實(shí)驗(yàn)示意圖
Fig．I一5 Experimentalrig asusedbyHarrisonandEyre
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
MERGE(Modeling and Experimental Research into Gas Explosions)是歐共體資助
由七家科研單位共同承擔(dān)的一個(gè)大型項(xiàng)目。它由若干個(gè)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬子項(xiàng)目組成。
MERGE項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)裝置為框架陣列式結(jié)構(gòu)，由三個(gè)正交方向的圓柱形管道組
成，如圖1-6所示。根據(jù)框架大小，實(shí)驗(yàn)分為大、中、小三類，尺寸分別為8x8x8m3、
4x4x2m3、1．8x1．8xO．9m3，它們之間比例約為4．5：2．25：l。實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)火源置于障礙
物中心位置，采用多種可燃?xì)怏w進(jìn)行了研究。
崮1-6 MERGE實(shí)驗(yàn)裝置不意圖
Fig．1·6 Regularly spaced gnds aS used in the MEERGE experimental program
(3)DISCOE實(shí)驗(yàn)[58,591
Van Wingerden對(duì)工廠內(nèi)部障礙物進(jìn)行分析，認(rèn)為排管、蒸餾柱、平臺(tái)這類結(jié)構(gòu)比
較常見(jiàn)，并且通常在兩個(gè)平行表面之間。因此，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行理想化處理基礎(chǔ)上，
設(shè)計(jì)了如圖1—7所示的實(shí)驗(yàn)裝置。即在兩個(gè)平板之間，豎直排列著管徑0．08米的圓管，
這些圓管分布在不同的同心圓上。平板尺寸分別為4x4In2、4x2m2。實(shí)驗(yàn)研究了可燃?xì)?
體活性、點(diǎn)火位置、障礙物堵塞率、圓管間距等對(duì)爆燃的影響。在乙烯一空氣的爆燃實(shí)
驗(yàn)中，得出如下結(jié)論：在恒定的間距P下，火焰速度隨ABR(障礙物面積堵塞率)增
大而增大，當(dāng)ABR=O．5和P=3D時(shí)火焰速度能達(dá)到800rrds；當(dāng)ABR不變時(shí)，火焰速度
隨著圓管間距的增大而增大。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣云內(nèi)部存在障礙物時(shí)，可極大地增強(qiáng)氣云爆燃強(qiáng)度。
上述幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，障礙物雖然各不相同，但也具有共性，就是都可以用幾個(gè)簡(jiǎn)單的特性
參數(shù)來(lái)描述，即障礙物尺寸、面積堵塞率、單管直徑等。
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
乎季蠹潞三。。
O O O O(嚳婺妻昌昌nO。0n0
圖1—7 D[SCOE實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
Fig．1—7 Obstacle configuration as used in the DISCOE expe6_mental program
I．3．3火焰加速機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究
上述可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)，需要特定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，危險(xiǎn)性也較大，無(wú)法在普通的實(shí)
驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。因此，有些研究者進(jìn)行容器或管道內(nèi)部預(yù)混可燃?xì)怏w爆燃實(shí)驗(yàn)，研究障
礙物對(duì)火焰的加速機(jī)理，希望通過(guò)這種比較小型的實(shí)驗(yàn)室研究，得到有意義的規(guī)律或
結(jié)論，繼而推廣到可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究中。
Fairweather[60,6u實(shí)驗(yàn)研究了圓管內(nèi)環(huán)形障礙物對(duì)燃燒速度的影響。采用火焰成像技
術(shù)發(fā)現(xiàn)，火焰波陣面通過(guò)后，障礙環(huán)后殘留的未反應(yīng)的混合氣體發(fā)生劇烈反應(yīng)，大大
增加了火焰陣面面積。Sakthitharan【62]進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn)，并測(cè)定了速度場(chǎng)及組分濃度場(chǎng)
的分布。
Masfi等人[63,64]設(shè)計(jì)了一套圓筒形實(shí)驗(yàn)設(shè)置，在內(nèi)部放置不同尺寸、不同形狀的障
礙物，研究障礙物對(duì)火焰形狀及爆燃超壓的影響。障礙物形狀包括圓柱形、三角形、
方形、菱形和平板形，阻塞率從10％到75％。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： (1)障礙物對(duì)火焰初始發(fā)展
階段的影響不大，在火焰接近障礙物處的燃燒速度大約是基本燃燒速度的1．5倍；(2)
障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ闹苯佑绊懯腔鹧孀矒粽系K物，間接影響是由障礙物產(chǎn)生阻力、并
加強(qiáng)湍流流動(dòng)；(3)障礙物形狀不同，對(duì)火焰的加速效果也不相同。矩形橫截面障礙
物引起最大的火焰加速，而圓形橫截面障礙物引起的加速最小。
林柏泉[65-69]采用圖l書(shū)所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)腔體為長(zhǎng)24m，截面
80 mm×80 mm的方管。在管內(nèi)不同位置處分別放置平板障礙物或塑料膜片，研究這
些障礙物或約束物對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆燃強(qiáng)度的影響。
平
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
圖1-9所示為不同障礙物情況下，火焰速度與管道長(zhǎng)徑比三／D之間的關(guān)系曲線。
可以看出，火焰?zhèn)鞑サ介L(zhǎng)徑比L／D=50處時(shí)的火焰速度，沒(méi)有障礙物時(shí)為36m／s：2塊
障礙物時(shí)達(dá)到98m／s；4塊障礙物時(shí)達(dá)到120mJs；6塊障礙物時(shí)達(dá)到240m／s。充分說(shuō)明
障礙物對(duì)火焰具有明顯的加速作用。障礙物對(duì)爆燃超壓的影響也與此相似，對(duì)于沖擊
波的傳播規(guī)律具有重要影響。當(dāng)沒(méi)有無(wú)障礙物時(shí)，沖擊波的傳播曲線交化幅度平緩，
未出現(xiàn)沖擊波的突變截面，馬赫數(shù)M珞。時(shí)(4—11)
式中，％與U1分別是燃料濃度與該濃度對(duì)應(yīng)的燃燒速度；Ymo與UI。分別是最危險(xiǎn)濃度
和對(duì)應(yīng)的基本燃燒速度#而％u與％L分別表示燃料爆燃的上、下限。
表4-I幾種典型可燃?xì)怏w參數(shù)值
Table 4-1Parameters oftypical flammable gases
4．1．6完全氣體混合關(guān)系式
可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，反應(yīng)物與產(chǎn)物均為混合氣體。在建立理論模型時(shí)，假設(shè)氣
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
體都滿足完全氣體的狀態(tài)方程，則由道爾頓定律可知，氣體混合物的總壓力等于各組
分的分壓之和，而總質(zhì)量密度等于各組分質(zhì)量濃度之和，即
P=Σp
由理想氣體的狀態(tài)方程有
pt=等
pRT
p 2’廠
P=ΣP
其中，形表示第i組合的分子量，w為平均分子量：
形=Σ彬E
上式中，K為i組分的濃度，用摩爾分?jǐn)?shù)表示
z：盟：旦‘ N P
其中，M表示第i組分的摩爾數(shù)?？偰枖?shù)Ⅳ等于
Ⅳ=ΣM
i=1
混合氣體的定壓比熱為：
o=ΣZ％
(4一t2)
(4-13)
(4—14)
(4—15)
f4—16)
(4—1 7)
(4—18)
4．2計(jì)算結(jié)果的實(shí)驗(yàn)考核
根據(jù)第2章介紹的數(shù)值方法，編制了計(jì)算程序，對(duì)本章建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
解。為了驗(yàn)證計(jì)算程序的準(zhǔn)確性，本節(jié)將采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行考核。
4．2．1超壓一時(shí)間曲線分析
可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，爆燃流場(chǎng)
中的任一點(diǎn)的超壓都會(huì)歷經(jīng)一個(gè)上升
一下降一再上升的過(guò)程。圖4．3中，b
曲線是氣云半徑為O．5米實(shí)驗(yàn)中，距爆
心1．5米處壓力傳感器測(cè)得的壓力時(shí)間
曲線，曲線a為相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。
通過(guò)對(duì)比二條曲線可以看出，二者
變化趨勢(shì)一致，并且在點(diǎn)火約60ms后
達(dá)到最大正超壓。說(shuō)明本章的數(shù)值模擬
可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出可燃?xì)庠票?
過(guò)程中超壓的變化趨勢(shì)。
4．2．2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考核
采用第3章進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)
算結(jié)果進(jìn)行考核，計(jì)算二者間的相對(duì)偏
差。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄1中的表6、表7。
根據(jù)表7數(shù)據(jù)作圖4—4。
從表中可以看出，氣云半徑對(duì)爆燃
強(qiáng)度的影響，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間最
大相對(duì)偏差為6．O％，平均偏差為2．1％。
可燃?xì)鉂舛葘?duì)爆燃強(qiáng)度的影響，計(jì)算值
與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間最大相對(duì)偏差為
5．3％，平均相對(duì)偏差為2．1％。說(shuō)明兩
種不同情況中，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間都
吻合較好。
3
2
藿：
一1
-2
．3
．——a計(jì)異
一彝值
： ／j???一b實(shí)驗(yàn)
-。／1．． 粵
i 50 n弘oo
： 蟛
恤
圖4．3壓力與時(shí)間變化曲線
F逗．4—3 The pressure-time histories Gurve
圖4_4不同濃度的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)超壓
Fig．4_4 Calculafional and experimental
overpressure against concentration
4．2．3討論
通過(guò)上面的分析可以看出，本文的數(shù)值計(jì)算能夠較好地模擬出超壓的變化趨勢(shì)，并
且計(jì)算超壓與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，證明了數(shù)值計(jì)算的有效性與準(zhǔn)確性。因此，下面可以
"
o
"
：
”
。
¨
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
采用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)量的溫度、密度、可燃?xì)鉂舛?、流?chǎng)速度等參
數(shù)的變化情況進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氣云爆燃的機(jī)理進(jìn)行探討。
4．3可燃?xì)庠票嫉牧鲌?chǎng)變化規(guī)律分析
數(shù)值模擬方法與實(shí)驗(yàn)方法相比，優(yōu)勢(shì)在于可以模擬出流場(chǎng)參數(shù)在任意時(shí)間、任意
位置的分布。將對(duì)可燃?xì)庠票歼^(guò)程中流場(chǎng)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，為可燃
氣云爆燃機(jī)理的探討打下基礎(chǔ)。
本文求解的流場(chǎng)參數(shù)包括：流場(chǎng)速度U(速度分量分別為Ur、U。)，氣體狀態(tài)參數(shù)
P、p、L燃燒速率Rfil，各類氣體濃度(包括％、Y02、YN2、yc02、Ymo)。為表述方
便，本節(jié)選取了流場(chǎng)速度U，氣體狀態(tài)參數(shù)P、p、T，燃燒速率丑fu，可燃?xì)鉂舛龋?
六個(gè)量進(jìn)行研究。
計(jì)算算例為：氣云半徑為lm，乙炔濃度13．30／0。
可燃?xì)庠票紝v經(jīng)爆燃開(kāi)始(引爆)、發(fā)展(火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程)、結(jié)束(火焰熄滅)
三個(gè)過(guò)程。為此，選擇與上述三個(gè)過(guò)程相對(duì)應(yīng)的三個(gè)時(shí)刻，即引燃(t=-lms)、火焰?zhèn)?
播期間(t=30ms)、火焰即將熄滅(t=90ms)時(shí)的流場(chǎng)參數(shù)的分布情況進(jìn)行研究。計(jì)算
結(jié)果作圖4-5，4-6，4-7。每個(gè)圖中含有六個(gè)子圖，子圖表示區(qū)域與幾何模型(圖4-2)
相對(duì)應(yīng)，坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)應(yīng)氣云中心，橫、縱坐標(biāo)表示空間位置(單位為m)，區(qū)域大小為
4mX4m。六個(gè)子圖中的色階圖分別表示對(duì)應(yīng)時(shí)刻燃燒速率、流場(chǎng)速度、溫度、壓力、
密度、可燃?xì)鉂舛鹊目臻g分布。
在圖4．5中，子圖(f)為乙炔濃度分布圖，可以看出r≤lm范圍內(nèi)，即氣云內(nèi)部
乙炔濃度13．3％，氣云外部為0。此時(shí)刻反應(yīng)已經(jīng)開(kāi)始，觀察子圖(a)至(e)，可以看
出，在氣云中心處已有火花生成，并且在火焰陣面前產(chǎn)生了向外的膨脹流動(dòng)，火焰陣
面處溫度升高、壓力升高、密度降低。
圖4-6表示仁30ms時(shí)的流場(chǎng)參數(shù)的空間分布。可以看出，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中某一
時(shí)刻，在氣云內(nèi)部?jī)H有一個(gè)局部區(qū)域發(fā)生燃燒反應(yīng)，晟高燃燒速率達(dá)到約7kg／mas(子
圖a)：膨脹流動(dòng)此時(shí)己擴(kuò)展到初始?xì)庠仆獠浚罡咚俣冗_(dá)到約20m／s(子圖b)；火焰
陣面后溫度升高，最高溫度達(dá)到約1800K(子圖c)；火焰陣面前的壓力升高，最高壓
力已達(dá)到104k．Pa(子圖d)；火焰陣面后密度下降，最低密度達(dá)到約O．4kg／m3(子圖e)；
已燃燒區(qū)域乙炔反應(yīng)完全，密度降為零(子圖f)。
圖4．7中流場(chǎng)參數(shù)的空間分布規(guī)律與圖4-5相似。因?yàn)閠=90ms時(shí)刻火焰即將熄滅
85
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
所以也具有一些不同的特點(diǎn)。首先，燃燒速率降低，最高燃燒速率僅0．6kg／m3s，燃燒
反應(yīng)已經(jīng)很弱；此時(shí)刻火焰面的位置約在r=1．4m處，說(shuō)明火焰已傳播到原始?xì)庠瓢霃?
外(子圖a)；而火焰面前的可燃?xì)怏w濃度很低，已經(jīng)小于0．4％，說(shuō)明乙炔已將近反應(yīng)
完畢(子圖f)；火焰面后是一團(tuán)高溫(約1800K，子圖c)、低密度(約0．4kg／m3，子
圖e)的燃燒產(chǎn)物的混合氣體：火焰陣面前的流場(chǎng)速度最高達(dá)到約70m／s(子圖b)，壓
力最高達(dá)到約104kPa(子圖d)，而火焰陣面后流場(chǎng)速度降為零(子圖b)。通過(guò)觀察還
可以發(fā)現(xiàn)，靠近地面處流場(chǎng)發(fā)生一定的變形，即是邊界層區(qū)域，將在本章4．5部分對(duì)
這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。
通過(guò)對(duì)上述三個(gè)時(shí)刻的流場(chǎng)參數(shù)變化規(guī)律的分析，可以得出以下結(jié)論?？扇?xì)庠?
爆燃過(guò)程中，火焰面由氣云中心向外傳播，火焰面前產(chǎn)生向外的膨脹流場(chǎng)。膨脹流場(chǎng)
像活塞一樣沖擊周圍大氣而誘導(dǎo)出同向傳播的沖擊波，導(dǎo)致火焰面前壓力上升。火焰
面后可燃?xì)怏w發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出熱量，導(dǎo)致溫度上升，密度下降。由于膨脹流動(dòng)，
部分可燃?xì)怏w會(huì)傳播到初始?xì)庠瓢霃酵?，因此火焰?huì)越過(guò)氣云邊界一定位置才會(huì)熄滅。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
圖4—5 t=-lms時(shí)刻流場(chǎng)參數(shù)的空間分布
r／m
Fig．4—5 Space distribution offlow parameters when F1ms
87
人連理_T大學(xué)博士學(xué)位論文
r／m
圖4-6 t=30ms時(shí)刻流場(chǎng)參數(shù)的空間分布
Fig．4-6 Space distribution offlow parameters when t=-30ms
88
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)釫爆燃強(qiáng)度研究
圖4—7 t=-90ms時(shí)刻流場(chǎng)參數(shù)的空間分布
r／m
Fig．4—7 Space distribution offlow parameters when盧90111s
89
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
4．4可燃?xì)庠票嫉臋C(jī)理探討
可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，爆燃波由火焰面與沖擊波共同構(gòu)成。本節(jié)將研究爆燃波的
構(gòu)成情況以及火焰面與沖擊波的傳播規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對(duì)超壓的生成機(jī)理進(jìn)行探討。
4．4．1爆燃波的構(gòu)成分析
可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，火焰面向外傳播，產(chǎn)生膨脹流場(chǎng)，后者向活塞一樣沖擊周
圍大氣從而誘導(dǎo)出沖擊波。本小節(jié)將確定爆燃開(kāi)始后，任意一個(gè)時(shí)刻爆燃波的構(gòu)成情
況。
首先，確定不同時(shí)刻火焰面的位置。從圖4-8為不同時(shí)刻燃燒速率沿空間的分布。
可以看出，在某一時(shí)刻，氣云內(nèi)部存在一個(gè)燃燒區(qū)域。例如在tl=20ms時(shí)刻，燃燒反
應(yīng)發(fā)生在FO加．4m的范圍內(nèi)，在r=O．2m處燃燒速率達(dá)到最高值。因此，可認(rèn)為tl=20ms
時(shí)刻，火焰面?zhèn)鞑サ搅藃=O．2m位置。然后再確定不同時(shí)刻沖擊波的位置。沖擊波過(guò)后，
流場(chǎng)壓力升高。由于這個(gè)壓力變化僅是微小量的變化，因此沖擊波的位置很難確定。
為便于研究，本文把某一位置的壓力變化達(dá)到一個(gè)微小量(0．OlkPa)時(shí)，定義為沖擊
波到達(dá)該位置。為此，可得到不同時(shí)刻火焰面與沖擊波的到達(dá)位置，見(jiàn)圖4-9。
圖4-8不同時(shí)刻燃燒速率的空間分布
Fig．4—8 Space distribution ofcombustion rate at different time
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
圖4-9不同時(shí)刻爆燃波結(jié)構(gòu)示意圖
Fig．4—9 Schematic diagram ofdeflagration wave at different time
圖4-9中，兩條曲線分別表示不同時(shí)刻沖擊波與火焰面到達(dá)位置，它們把爆燃流
場(chǎng)分為三個(gè)部分，即已燃區(qū)、已擾動(dòng)區(qū)和未擾動(dòng)區(qū)。圖中虛線A—_B—C—_D為t=-50ms
時(shí)刻流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)刻，火焰面到達(dá)了B點(diǎn)(產(chǎn)O．75m)，沖擊波到達(dá)了C點(diǎn)(嚴(yán)1．20m)
處。A點(diǎn)代表氣云中心，D代表沖擊波前的任意一點(diǎn)。那么，此時(shí)刻由A點(diǎn)至B點(diǎn)
(r--O～O．75m)為已燃區(qū)；由B點(diǎn)至C點(diǎn)(r=O．75～1．20m)為已擾動(dòng)區(qū)；由C點(diǎn)至D
點(diǎn)(p1．20m)為未擾動(dòng)區(qū)。
根據(jù)燃燒理論，在兩種可能沖擊波與火焰面會(huì)合二為一。一是火焰速度加大，逐
漸追趕上沖擊波，爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z；二是火焰速度降低，燃燒產(chǎn)物能即時(shí)向后排放而
不生成沖擊波，從而爆燃衰減為定壓燃燒。從圖4-9可以看出，沖擊波與火焰面之間
的距離逐漸增大，說(shuō)明可燃?xì)怏w濃度均勻分布的可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，當(dāng)不存在障礙
物時(shí)，爆燃不具有向爆轟轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，也不可能衰減為定壓燃燒。
4．4．2超壓生成機(jī)理探討
爆燃過(guò)程中，生成較高超壓的直接原因是能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊波。根據(jù)自相似理
論，由于火焰的傳播而生成了同向傳播的膨脹流場(chǎng)，膨脹流場(chǎng)像活塞一樣沖擊周圍大
氣，從而產(chǎn)生沖擊波。因此，沖擊波的強(qiáng)度受到膨脹流場(chǎng)速度的影響，后者的速度越
高，越能誘導(dǎo)出較強(qiáng)的沖擊波。
圖4—10為爆燃過(guò)程中不同位置所能達(dá)到的最高火焰速度與最高流場(chǎng)速度示意圖。
q1
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
圖中可以看出，氣云爆燃過(guò)程中最高火焰速度逐漸升高，由最初的Om／s升高到大
于20m／s。這是因?yàn)?，半球形可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，火焰面呈球形，隨著半徑，的增大，
火焰表面積也逐漸增大，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)的可燃?xì)怏w量增多，從而引起火焰速度的升
高。同時(shí)也可以觀察到，流場(chǎng)速度也隨著火焰速度的升高而提高，說(shuō)明火焰速度的加
快必然導(dǎo)致膨脹流場(chǎng)的加速。而根據(jù)自相似理論，膨脹流場(chǎng)的加速同樣會(huì)引起爆燃超
壓的升高。
因此，可燃?xì)怏w濃度呈均勻分布的可燃?xì)庠票?，在爆燃過(guò)程中，隨著氣云半徑
的增大，火焰表面積逐漸增大，火焰速度升高，膨脹流場(chǎng)速度加大，從而使氣云爆燃
強(qiáng)度逐漸提高。
圖4．10不同位置最高火焰速度與流場(chǎng)速度示意圖
Fig．4—10 Schematic diagram ofmaximum velocity offlame and fluid field at di伍erent points
4．5地面、聚乙烯薄膜對(duì)可燃?xì)庠票加吧蔚臄?shù)值模擬
可燃?xì)庠票际鹿手?，可燃?xì)怏w在地面上發(fā)生積聚形成氣云，地面對(duì)爆燃流場(chǎng)的
變化規(guī)律與爆燃強(qiáng)度均有重要影響。另外，在第3章的實(shí)驗(yàn)中采用聚乙烯薄膜作為約
束物來(lái)形成氣云，并且采用實(shí)驗(yàn)的方法確定了薄膜厚度與層數(shù)對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響。本
節(jié)將采用數(shù)值模擬的方法，來(lái)研究地面、聚乙烯薄膜對(duì)爆燃流場(chǎng)的影響規(guī)律，并對(duì)其
機(jī)理進(jìn)行探討。
一{囂磺
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
4．5．1地面對(duì)可燃?xì)庠票加绊懙哪M
現(xiàn)有的可燃?xì)庠票寄M方法，如自相似法、能量加入法等，都是一維模擬，為
研究簡(jiǎn)便，忽略了地面對(duì)爆燃過(guò)程的影響。本文進(jìn)行了可燃?xì)庠票嫉亩S數(shù)值模擬，
并把地面設(shè)成固壁無(wú)滑移的邊界條件而進(jìn)行了研究。研究結(jié)果如下。
4．5．1．1地面對(duì)爆燃流場(chǎng)的影響規(guī)律
從圖4．5至4—7可以看出，爆燃過(guò)程中流場(chǎng)基本保持半球形，但在靠近地面處，由
于邊界層的存在，爆燃流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變形。這在t=-90ms時(shí)刻，表現(xiàn)得尤其明顯。為進(jìn)一
步研究，根據(jù)不同時(shí)刻的流場(chǎng)速度的空間分布作圖4—11。
圖4—11中，六個(gè)子圖分別表示t=lms至t=90ms等不同時(shí)刻流場(chǎng)速度的空間分布。
每個(gè)子圖的表示區(qū)域與圖4．4至4—6相同，區(qū)域面積為4mX4m。
從圖中可以看出，隨著爆燃過(guò)程的進(jìn)行，流場(chǎng)速度也逐漸升高，由最初的4m／s上
升到約70m／s。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，靠近地面處的流場(chǎng)變形逐漸明顯。為便于觀察，把圖
4—11中靠近地面處局部放大(即垂直方向上局部放大)，從而作圖4一12。
圖4．12中的表示區(qū)域變小，高度為0．4m，僅為圖4．11的10％。因此，可以比較
清楚地觀察到靠近地面處流場(chǎng)的變形情況?？梢钥闯觯趖=lms時(shí)爆燃剛剛開(kāi)始，還
沒(méi)有發(fā)生流場(chǎng)的變形(子圖a)。t=20ms時(shí)刻，在靠近地面處產(chǎn)生一速度梯度，速度由
高至低逐漸降為零，即已有邊界層生成(子圖b)。而從子圖c至子圖f，隨著流場(chǎng)速度
的增大，邊界層也逐漸擴(kuò)大，最后達(dá)到約0．1m。也就是說(shuō)，該氣云爆燃邊界層最高為
O．1m，在邊界層內(nèi)，由于地面的作用而引起流場(chǎng)的變形。而超過(guò)這個(gè)高度，即已脫離
邊界層，可認(rèn)為地面對(duì)流場(chǎng)己基本沒(méi)有影響。
4．5．1．2討論
本文在進(jìn)行研究中做了兩個(gè)基本假設(shè)，一是燃燒模式為層流，二是假設(shè)地面無(wú)限
光滑。由此得到結(jié)論，由于地面的影響，在靠近地面處存在較薄的區(qū)域，即邊界層。
在邊界層內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生輕微變形，存在著速度梯度，速度逐漸降為零。越過(guò)邊界層，可
忽略邊界層的影響。
而在現(xiàn)實(shí)中，地面不可能無(wú)限光滑。粗糙的地面會(huì)引起火焰的變形，從而引起燃
燒模式由層流向湍流的轉(zhuǎn)變。地面粗糙度越大，氣云半徑越大，火焰變形就越明顯。
這時(shí)層流燃燒模型已經(jīng)不再適用。因此，本文進(jìn)行的地面對(duì)爆燃流場(chǎng)影響的研究比較
大連理T大學(xué)博士學(xué)位論文
圖4—11不同時(shí)刻流場(chǎng)速度的空間分布
Fig．4-11 Space distribution ofvelocity offlow field at different time
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
r／m
圖4—12不同時(shí)刻流場(chǎng)速度的空間分布(放大圖)
Fig．4．12 Space distribution ofvelocity offlow field at different time(zoom in)
9S
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
簡(jiǎn)單，并且具有特定適用范圍(適用于地面非常光滑并且氣云半徑較小情況)。
地面對(duì)可燃?xì)庠票剂鲌?chǎng)的影響非常復(fù)雜。由于地面的作用而引起火焰較大變形
時(shí)，會(huì)使火焰面積增大，從而使燃燒速度增加。此時(shí)，地面將對(duì)火焰起到加速的作用。
地面對(duì)火焰的加速機(jī)理，是一個(gè)非常復(fù)雜的研究課題。本文由于時(shí)間關(guān)系，僅在論文
限定的研究范圍內(nèi)，進(jìn)行了初步的研究與探討。
4．5．2弱約束物對(duì)可燃?xì)庠票加绊懙哪M
在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，存在著門(mén)、窗，強(qiáng)度較低的墻壁等約束物，當(dāng)發(fā)生爆燃時(shí)，隨著爆
燃超壓的升高，這些約束物會(huì)發(fā)生破裂，從而失去對(duì)火焰的約束作用，這類約束物統(tǒng)
稱為弱約束物。以聚乙烯薄膜為例，研究這類約束物對(duì)爆燃流場(chǎng)的影響規(guī)律。
4．5．2．1計(jì)算模型的改變
當(dāng)氣云邊界存在聚乙烯薄膜時(shí)，可燃?xì)庠票歼^(guò)程將分為兩個(gè)階段。一是薄膜破
裂前，在氣云內(nèi)部進(jìn)行的爆燃過(guò)程類似于定容爆炸；二是薄膜破裂后，由于氣云內(nèi)外
存在的壓力差，產(chǎn)生由內(nèi)到外的流場(chǎng)，爆燃火焰會(huì)傳播到原始?xì)庠仆獠俊?
這樣，數(shù)學(xué)模型中的邊界條件將發(fā)生如下改變(其它條件不變)：
(1)薄膜破裂前：在，=R 0處
“：o；_ap：o；孥：0；擎：0；
凹甜卯
(2)薄膜破裂后：r=m處
U=0；P=Po；T=兀；k=0
4．5．2．2計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)考核
第3章進(jìn)行了薄膜厚度與層數(shù)對(duì)爆燃強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)。為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)
確性，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄1(表8)。經(jīng)計(jì)算，二者之間最
大相對(duì)偏差為14．8％，平均相對(duì)偏差4．7％。吻合較好，說(shuō)明本文程序能夠比較準(zhǔn)確地
模擬薄膜對(duì)可燃?xì)庠票紡?qiáng)度的影響規(guī)律。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
4．5．2．3薄膜破裂前后爆燃流場(chǎng)變化分析
可燃?xì)庠票奸_(kāi)始后，隨著爆燃過(guò)程的進(jìn)行，氣云內(nèi)部超壓逐漸升高，當(dāng)薄膜所受
超壓超過(guò)它的強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生破裂。為分析在薄膜破裂前后流場(chǎng)的變化情況，根據(jù)數(shù)值
計(jì)算結(jié)果，作圖表示流場(chǎng)參數(shù)在薄膜破裂前后的變化情況，見(jiàn)圖4．13。算例為：氣云
半徑為0．5m，乙炔濃度為13．3％，薄膜厚度為O．02mm。圖中，橫坐標(biāo)為空間坐標(biāo)，縱
0．0 0．5 1．0 1．5 2．0
r／m
(a) 薄膜破裂前
1·8}=廠＼ g(堡g魚(yú)：)
n F、／， ． ．
0．0 0．5 1．0 1．5 2．0
r／m
(b)薄膜破裂后
圖4．13薄膜破裂瞬間流場(chǎng)參數(shù)變化曲線
Fig．4—13 Variation ofparameters in flow field。at film breaking moment
坐標(biāo)從下至上，依次為燃燒速率、流場(chǎng)速度、超壓、密度。
從圖(a)可以看出，在薄膜破裂前，火焰陣面?zhèn)鞑サ綒庠苾?nèi)部約O．3m處(Rfu圖)：
在火焰陣面前產(chǎn)生了向前的流動(dòng)，但由于在流場(chǎng)前有薄膜的阻礙，因此速度很低，約
為2m／s(“圖)；而在氣云邊界r=0．5m處，受到薄膜的阻礙，造成氣體的堆積，因此
07
m
oM
04
07
o
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
密度增加(p圖)，最高密度達(dá)到約1．8kg／m3；壓力上升，最高超壓達(dá)到約12kPa(p
圖)。
圖(b)中，薄膜發(fā)生破裂，由于氣云邊界處存在的壓力差，邊界處氣體向氣云外
流動(dòng)，最高速度達(dá)到約20m／s(“圖)；氣云內(nèi)部壓力、密度下降，而氣云外靠近邊界
處壓力和密度上升如、p圖)。
4．5．2．4討論
通過(guò)流場(chǎng)分析，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：在薄膜破裂前，邊界處堆積了密度、壓力較高的
氣體；薄膜強(qiáng)度越高，破裂的時(shí)間就越晚，堆積的氣體密度與壓力也就越高；薄膜破
裂時(shí)，氣云邊界內(nèi)外壓差較大，在氣云邊界處產(chǎn)生附加沖擊波，引起氣云外壓力升高。
因此，薄膜強(qiáng)度越高，可燃?xì)庠票紡?qiáng)度也就越高。同理，當(dāng)薄膜層數(shù)增多時(shí)，在最
外一層的薄膜處，也容易堆積較高密度與壓力的氣體，因此，當(dāng)最外層薄膜破裂時(shí)，
也容易形成強(qiáng)度較高的沖擊波，從而生成較高的超壓。
4．6氣云形狀對(duì)氣云爆燃強(qiáng)度的影響?圓柱形可燃?xì)庠票嫉臄?shù)值模擬
本章前面部分研究的半球形可燃?xì)庠剖且环N理想化的氣云模型，在實(shí)際爆燃事故
中不可能遇到。而當(dāng)氣云形狀發(fā)生變化，即使可燃?xì)庠频捏w積與可燃?xì)怏w濃度不變，
爆燃流場(chǎng)與爆燃強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，因此有必要進(jìn)行氣云形狀對(duì)爆燃影響的研究。
羅正鴻(32】采用實(shí)驗(yàn)的方法，以圓柱形可燃?xì)庠茷槔?，研究了氣云形狀?duì)爆燃超壓
的影響情況。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制，只測(cè)量了氣云外兩個(gè)點(diǎn)的超壓，這樣無(wú)法描述壓
力場(chǎng)的變化情況，更無(wú)法對(duì)整個(gè)爆燃流場(chǎng)進(jìn)行深入的探討。因此，在他的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，
本節(jié)將采用數(shù)值模擬方法，也以圓柱形氣云爆燃為例，來(lái)研究氣云形狀對(duì)爆燃流場(chǎng)與
爆燃強(qiáng)度的影響規(guī)律。
具體研究過(guò)程為：首先建立描述圓柱形氣云爆燃的數(shù)學(xué)模型，并采用第2章介紹
的數(shù)值方法進(jìn)行求解，計(jì)算值與第3章介紹的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確
性。然后，對(duì)爆燃流場(chǎng)進(jìn)行分析，找出爆燃場(chǎng)中最危險(xiǎn)區(qū)域，分析爆燃場(chǎng)的發(fā)生、發(fā)
展規(guī)律。
軸對(duì)稱約束齋件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
4．6．1理論模型
4．6．1．1幾何模型
本文研究圓柱形(餅形)氣云示意圖為
4．14。以氣云中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，做圓柱形氣
云的剖面圖，建立幾何模型，如圖4．15。
圖中可以看出，原始?xì)庠瓢霃絉=乞，
氣云高h(yuǎn)=lob，定義氣云高徑比為形狀因子，
s=h／Ro。
4．6．1．2物理模型
圖4．14圓柱形氣云示意圖
Fig．4-14 Figure ofcylinder cloud
圓柱形氣云爆燃與半球形氣云爆燃相
比較，物理一化學(xué)過(guò)程的本質(zhì)相同，建立
半球形氣云爆燃時(shí)的前提假設(shè)與簡(jiǎn)化，在
b
此處也仍然適用。因此，物理模型在此處
不在贅述，見(jiàn)本文4．1．2部分。
4．6．1．3數(shù)學(xué)模型
按照上述幾何模型與物理模型，采用
柱坐標(biāo)建立如下數(shù)學(xué)模型(數(shù)學(xué)模型的推
a r
圖4—15圓柱形氣云幾何模型
Fig．4—15 geometric model ofcylinder cloud
導(dǎo)過(guò)程參照附錄2半球形數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過(guò)程，本文略)：
連續(xù)方程：
害+手墮罨掣+魯(肼：)=。al r 靜az?t
動(dòng)量方程：
(4—19)
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
能量方程：
組分方程
掣：掣+掣一弘旦(辟cnr)Or ar、
㈣。， 西a， 瑟甜r I 7 ?．、
+曇(哮] 一
必+旦㈦：一望+!旦f緲絲] 鐘Or az r Orl。瑟J
+丟(哮]
(4-21)
挈七等M掣旦．O．他LC．竺a．jL m：，
旦a。fL生c．竺a：j1+‰g
掣t警型。3r+坐掣=*掣]+ 件：。，
甜， 昆r a，I 丹J ．
珈掣h 一
式中，D J，、坼、‰r、％分別代表壓力、密度、r方向速度、Z方向速度、絕對(duì)溫
度和燃料濃度；掣、／【、D分別為動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)；月缸為反應(yīng)速度，
由燃燒模型計(jì)算，g為燃燒熱。
4．6．1．4初、邊值條件
見(jiàn)本章4．1．4部分。
4．6．1．S燃燒模型
見(jiàn)本章4．1．5部分。
100
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
4．6．1．6理想氣體混合關(guān)系式
見(jiàn)本章4．1．6部分。
4．6．2計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)考核
為驗(yàn)證計(jì)算程序的準(zhǔn)確性，計(jì)算結(jié)果與第3章的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)附錄1(表
9)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，二者間最大相對(duì)偏差為18．3％，平均相對(duì)偏差為5．4％，基本吻合。
4．6．3計(jì)算結(jié)果與討論
4．6．3．1爆燃流場(chǎng)變化規(guī)律探討
算例為：圓柱形氣云，半徑O．75m，高0．15m。即氣云體積為O．26m3，氣云形狀因
子占=0．2。乙炔濃度ym=7．75％，即化學(xué)計(jì)量比濃度。
計(jì)算區(qū)域選?。?．5m×1．5m。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取1、20、40、60、80、100、120ms七個(gè)時(shí)刻流場(chǎng)參數(shù)值作圖
4—16。圖中，橫、縱坐標(biāo)表示空間位置，六個(gè)子圖中云圖分別表示流場(chǎng)速度、密度、
壓力、溫度、乙炔濃度、燃燒速率。
t=lms時(shí)刻，觀察可燃?xì)怏w濃度圖，可以看出氣云的剖面形狀?矩形。氣云內(nèi)部乙
炔濃度為7．75％，氣云外等于0。氣云中心處，乙炔濃度略有下降，說(shuō)明爆燃反應(yīng)已經(jīng)
開(kāi)始，部分乙炔被消耗。其它參數(shù)，如溫度、壓力、密度、速度，在氣云中心處產(chǎn)生
微小量的變化。
從圖中可以看出，爆燃分為兩個(gè)階段。t=l--,60ms為第一階段，火焰由氣云中心向
外傳播，基本保持球面形狀，溫度、壓力、密度、速度等參數(shù)也基本保持球形對(duì)稱；t>60ms
為第二階段，此時(shí)火焰最高處已達(dá)到氣云上邊界處，因此火焰面只能保持不完整半球
形狀向外傳播，溫度、壓力、密度、速度等參數(shù)也無(wú)法保持球形對(duì)稱，即靠近地面處
數(shù)值較高，越遠(yuǎn)離地面，這些參數(shù)數(shù)值越低。
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軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
圖4．16不同時(shí)刻流場(chǎng)參數(shù)的空間分布
Fig．4—16 Space distribution offlow parameters at different time
4．6．3．2爆燃流場(chǎng)不對(duì)稱分析
圓柱形氣云爆燃流場(chǎng)己不具有球?qū)ΨQ的性質(zhì)，也就是說(shuō)，即使與爆心距離相同，
但與地面夾角不同，爆燃強(qiáng)度也會(huì)不同。仍采用上面的算例，對(duì)這種流場(chǎng)不對(duì)稱性進(jìn)
行研究，并找出最危險(xiǎn)區(qū)域。
設(shè)測(cè)點(diǎn)到爆心的距離為d，與地面夾角為0。d研究范圍O-2m，目值為0、Ⅱ／6、
Ⅱ／3、Ⅱ／2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，作圖4一17。
從圖中可以看出，地面處爆燃強(qiáng)度(0．62kPa)最高，氣云軸心處(O．14kPa)最低，
前者是后者的4．4倍。由第三章可以得知，半球形氣云爆燃最大超壓點(diǎn)在原始?xì)庠瓢霃?
約1_8倍處。圓柱形氣云地面處最大超壓點(diǎn)出現(xiàn)在約1．5m處，即氣云半徑的2倍處，
與半球形氣云類似。隨著與地面夾角的增大，出現(xiàn)最大超壓點(diǎn)的距離也逐漸減小，氣
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云軸心處出現(xiàn)在距離爆心O．8m處。
以上說(shuō)明，在圓柱形氣云爆燃時(shí)，靠近地面處為最危險(xiǎn)區(qū)域，因此應(yīng)該特別做好
防護(hù)措施。
0．5
O·4
d o．3
里
札
q
0．2
0．1
0
0 1
d／m
圖4—17最大超壓隨距離變化曲線
Fig．4—17 Maxinlum ovcrprcsstn'e against distance
2
4．6．3．3氣云形狀因子￡對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響
因?yàn)榭拷孛嫣幈紡?qiáng)度最高，所以測(cè)點(diǎn)與地面的夾角口取為0，來(lái)討論氣云形狀
因子e對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果作圖4—18。
由圖可見(jiàn)，因?yàn)樾螤钜蜃觘不同，所以氣云爆燃時(shí)最大超壓發(fā)生點(diǎn)也不同。隨著
e的增大，氣云半徑減小，發(fā)生最大超壓點(diǎn)的距離也減小。經(jīng)過(guò)分析，最大超壓點(diǎn)都
發(fā)生在大約2倍氣云半徑處。
圖4—19是最大超壓隨形狀因子e的變化曲線。圖中曲線可以分成兩部分，一部分
是e<0．4時(shí)，最大超壓隨著e的增大，而快速升高；第二部分e>o．4時(shí)，最大超壓隨
著e的增大也有升高趨勢(shì)，但上升速度較慢。當(dāng)￡=1時(shí)，最大超壓(O．84kPa)是
塑翌塑竺塞墨壁工旦整墨墨壁塑塑壅里窒
0．8
d 0．6
星
龜
司O．4
0．2
0
0 0．5 1 1．5 2
，／m
圖4—18最大超壓隨距離變化曲線
Fig．4—18 Maxi刪】m OVel=pressllre against distance
l
O．8
重n6
拿o．4
0·2
O
0．1 0．3 0．5 0．7 0．9
圖4．19最大超壓隨形狀因子變化益線
Fig．4—19 Maximum overpressure against parameter ofform
107
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
e=O．1時(shí)(O．27kPa)的3．1倍，可見(jiàn)形狀因子e對(duì)氣云爆燃的強(qiáng)度具有重要的影響作
用。
4．6．3．4氣云形狀因子e對(duì)爆燃強(qiáng)度影響的機(jī)理分析
形狀因子s對(duì)氣云爆燃強(qiáng)度具有重要的影響。對(duì)于相同體積的可燃?xì)庠疲绻?
的可燃?xì)怏w種類、濃度相同，則所含的化學(xué)能也就相同。爆燃強(qiáng)度則與能量釋放速率
有關(guān)，釋能速率高，爆燃強(qiáng)度則高。而釋能速率與燃燒速率以及燃燒時(shí)間相關(guān)，燃燒
速率越高則燃燒時(shí)間越短，釋能速率越高，爆燃強(qiáng)度就越高。
設(shè)燃燒速率小于O．Olkg／(m3曲時(shí)，燃燒過(guò)程結(jié)束。則根據(jù)不同形狀因子e時(shí)，燃燒
時(shí)間作圖4—20。
可以看出，形狀因子￡不同，燃燒時(shí)間也不相同。隨著e的增大，燃燒時(shí)間逐漸
變少。當(dāng)s--0．1時(shí)所用燃燒時(shí)間(150ms)是￡=1時(shí)所用時(shí)間(92ms)的1．6倍。形
狀因子越小，燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，釋能速率越慢，因此爆燃強(qiáng)度就越低。
150
130
喜Ⅲ
90
70
0．1 0．3 0．5 o．7 0．9
圖4。20燃燒時(shí)間隨形狀因子變化曲線
Fig．4-20 Combustion time against parameter ofcloud
4．7工業(yè)大尺寸氣云爆燃強(qiáng)度預(yù)測(cè)
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，可引發(fā)爆燃事故的易燃、易爆氣體很多。甲烷、乙烯、乙炔是最
108
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
常見(jiàn)的三種氣體，其活性由低到高各不相同。因此，本文選擇了這三種氣云進(jìn)行了爆
燃強(qiáng)度預(yù)測(cè)。三種氣體的爆燃參數(shù)見(jiàn)表4．2。
圖4-21是燃料在最危險(xiǎn)濃度下，三種氣云爆燃最大超壓隨氣云半徑變化曲線?？?
見(jiàn)，氣云爆燃威力與燃料活性有關(guān)，乙炔的活性最高，爆燃超壓最高，乙烯次之，甲
烷最低。當(dāng)氣云半徑80米時(shí)，乙炔氣云爆燃可以產(chǎn)生約77Pa的超壓，而同樣尺寸的
甲烷氣云爆燃，只能產(chǎn)生約35kPa的超壓，前者是后者的2．2倍。
表4_2可燃?xì)怏w的爆燃參數(shù)[51
Table 4-2 Deflagrationparameters offlammable gas
40 60 80
R加
圖4五l最大超壓隨氣云半徑變化曲線
Fig。4-21 Maxinlum oveTpressure against cloud radii
圖4．22是當(dāng)氣云半徑為80米，改變?nèi)剂蠞舛龋N氣云爆燃產(chǎn)生的最大超壓?？?
見(jiàn)，隨著燃料偏離最危險(xiǎn)濃度，爆燃超壓逐漸下降，并且下降速度與爆燃界限有關(guān)，
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
界限最小，下降速度最快，反之亦然。
本文1．2．2部分(表1-2)論述了爆燃超壓的破壞效應(yīng)?？梢?jiàn)，上述最危險(xiǎn)濃度下
半徑為80米的三種氣云均具有較強(qiáng)的破壞能力，乙炔／空氣氣云爆燃甚至具有使鋼筋混
凝土建筑完全毀壞的能力。而當(dāng)濃度偏離最危險(xiǎn)濃度時(shí)，爆燃強(qiáng)度明顯降低。
4．8小結(jié)
圖4．22最大超壓隨濃度變化曲線
Fig．4-22 Maximum overpressurc against cloud concentFadon
本章采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)可燃?xì)怏w濃度呈均勻分布的可燃?xì)庠票歼^(guò)程進(jìn)行
了研究。具體內(nèi)容與結(jié)論有：
(1)采用Baldce—Hjetfager燃燒模型、結(jié)合流體力學(xué)控制方程組、組分方程，建立
了描述半球形可燃?xì)庠票嫉亩S數(shù)學(xué)模型，并采用第2章介紹的數(shù)值方法進(jìn)行求解。
計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，證實(shí)該數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映可燃?xì)庠票嫉奈?
理化學(xué)過(guò)程。
(2)通過(guò)對(duì)爆燃流場(chǎng)變化規(guī)律的研究，得到以下結(jié)論：可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，爆
燃波由沖擊波與火焰面共同組成，可燃?xì)怏w濃度均勻分布的可燃?xì)庠疲歼^(guò)程中沖
擊波與火焰面之間距離逐漸增大，說(shuō)明爆燃不具有向爆轟轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，也不可能衰減
為定壓燃燒；氣云爆燃過(guò)程中，隨著氣云半徑的增大，火焰表面積逐漸增大，火焰速
110
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
度升高，膨脹流場(chǎng)速度加大，從而使氣云爆燃強(qiáng)度逐漸提高；當(dāng)氣云半徑足夠大時(shí)，
爆燃過(guò)程也能產(chǎn)生較大破壞力的超壓；爆燃超壓受到可燃?xì)怏w活性的影響，同樣體積
的可燃?xì)庠?，由于可燃?xì)怏w活性的不同，造成的破壞效果相差很大。
(3)進(jìn)行了地面對(duì)氣云爆燃流場(chǎng)影響的研究。發(fā)現(xiàn)在本文研究范圍內(nèi)，由于地面
的影響，在爆燃過(guò)程中靠近地面處產(chǎn)生～個(gè)較薄的邊界層，在邊界層內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生變形，
而超過(guò)這個(gè)區(qū)域，地面對(duì)流場(chǎng)的影響則可忽略不計(jì)。
(4)進(jìn)行了聚乙烯薄膜對(duì)爆燃流場(chǎng)影響的研究。通過(guò)流場(chǎng)分析，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：
在薄膜破裂前，邊界處堆積了密度、壓力較高的氣體；薄膜強(qiáng)度越高，破裂的時(shí)間越
晚，堆積的氣體密度與壓力也就越高；薄膜破裂時(shí)，氣云邊界內(nèi)外壓差越大，產(chǎn)生的
沖擊波強(qiáng)度越高，越能產(chǎn)生較高的超壓。
(5)以圓柱形可燃?xì)庠茷槔?，采用?shù)值模擬方法，研究了氣云形狀對(duì)爆燃流場(chǎng)與
爆燃強(qiáng)度的影響規(guī)律。首先，建立了描述圓柱形可燃?xì)庠票嫉臄?shù)學(xué)模型，采用第3
章介紹的數(shù)值方法進(jìn)行求解，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。然后，對(duì)爆燃
流場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，圓柱形氣云爆燃過(guò)程中，爆燃流場(chǎng)無(wú)法始終
保持球形對(duì)稱，靠近地面處為最危險(xiǎn)區(qū)域；氣云的高徑比越小(即形狀因子e越小)，
氣云內(nèi)部可燃?xì)怏w完全反應(yīng)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，能量的釋放速率就越低，因此爆燃強(qiáng)
度也就越低。
(6)對(duì)工業(yè)大尺寸可燃?xì)庠票紡?qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，處于最危險(xiǎn)濃度下
的大尺寸氣云爆燃具有較強(qiáng)的破壞力，例如半徑為80米乙炔／空氣氣云爆燃甚至具有使
鋼筋混凝土建筑完全毀壞的能力。而當(dāng)濃度偏離最危險(xiǎn)濃度時(shí)，爆燃強(qiáng)度明顯降低。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
5高斯分布可燃?xì)庠票嫉臄?shù)值模擬
第4章對(duì)可燃?xì)怏w均勻分布的可燃?xì)庠票歼M(jìn)行了數(shù)值模擬，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核，
證實(shí)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。本章將在此基礎(chǔ)上，以簡(jiǎn)化的高斯分布?xì)庠票紴?
例，對(duì)非均勻分布?xì)庠票歼M(jìn)行模擬。
5．1高斯分布可燃?xì)庠频男纬?
5．1．1影響可燃?xì)庠菩纬傻囊蛩?
可燃?xì)怏w泄漏到大氣中通過(guò)擴(kuò)散形成可燃?xì)庠疲且粋€(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及到
氣體動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科。影響氣云形成的因素很多，如泄漏狀態(tài)(包括
泄漏速率、泄漏物狀態(tài)、泄漏口徑、泄漏時(shí)間等)，泄漏處的環(huán)境因素(如氣溫、大氣
穩(wěn)定度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣濕度等)。
泄漏狀態(tài)是指氣體或液體在泄漏時(shí)的物質(zhì)相態(tài)和泄漏條件。其中泄漏物質(zhì)相態(tài)有
氣態(tài)、液態(tài)、氣液共存三種形式。當(dāng)泄漏物在容器中存儲(chǔ)方式為氣體，其泄漏形式為
氣態(tài)，如煤氣管道或儲(chǔ)罐的泄漏：泄漏物為液相存在時(shí)，它在擴(kuò)散過(guò)程中從外界環(huán)境
吸收熱量，不斷汽化，有相變發(fā)生，如液化石油氣、氨等的泄漏。一般來(lái)說(shuō)，液體的
泄漏比氣體泄漏更危險(xiǎn)，因?yàn)橐夯孤┑牧枯^大，而且氣云持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。
泄漏條件包括泄漏速率、泄漏口徑、泄放時(shí)間等。這三種因素對(duì)擴(kuò)散的影響很大。
泄漏速率直接影響著擴(kuò)散過(guò)程，泄漏速率大，氣體擴(kuò)散得就遠(yuǎn)，形成的氣云半徑就大；
泄漏口徑大，同樣條件下泄漏速率就大；泄漏時(shí)間長(zhǎng)，氣云持續(xù)時(shí)間就長(zhǎng)。
影響氣云形成的環(huán)境因素很多，其中以大氣穩(wěn)定度與地面風(fēng)的影響最為顯著。
氣體在大氣中的擴(kuò)散與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系，大氣穩(wěn)定度指在垂直方向上大氣
穩(wěn)定的程度，即大氣是否易于發(fā)生對(duì)流。凡是對(duì)氣團(tuán)的升降運(yùn)動(dòng)起促進(jìn)作用的大氣為
不穩(wěn)定大氣；反之，對(duì)氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)起抑制作用的大氣為穩(wěn)定大氣。穩(wěn)定大氣不利于氣體
的擴(kuò)散，使氣體擴(kuò)散范圍較小，氣云內(nèi)部濃度梯度較大；不穩(wěn)定大氣有利于氣體的擴(kuò)
散，使氣體的擴(kuò)散范圍較大，氣云內(nèi)部濃度梯度較小。
地面風(fēng)對(duì)氣體擴(kuò)散有著重大的影響。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，泄漏氣體的擴(kuò)散距離更遠(yuǎn)，
易形成濃度梯度較小的氣云；當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，泄漏氣體的擴(kuò)散距離變小，易形成濃度
梯度較高的氣云。
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
總之，可燃?xì)庠频男纬墒且粋€(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)它進(jìn)行深入研究超出了本文研
究的范疇。本章將直接采用前人的研究成果，對(duì)簡(jiǎn)化的高斯分布可燃?xì)庠七M(jìn)行模擬。
5．1．2高斯分布模型介紹(Gaussian model)[1031
高斯分布模型建立時(shí)間較早，出現(xiàn)于上世紀(jì)五、六十年代，適用于點(diǎn)源的擴(kuò)散。
它作如下假設(shè)。
1，定常態(tài)，即所有的變量不隨時(shí)間變化；
2．適用于密度與空氣密度相差不多的氣體擴(kuò)散(不考慮重力或浮力的作用)，且
在擴(kuò)散過(guò)程中氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；
3．?dāng)U散氣體的性質(zhì)與空氣相同；
4．?dāng)U散氣體到達(dá)地面后，沒(méi)有任何吸收；
5．坐標(biāo)系的x軸與流動(dòng)方向重合，氣云的橫向速度分量v，垂直速度分量w均為
6．假定地面為水平。
那么，氣云內(nèi)部的可燃?xì)怏w濃度分布為：
c=彘唧№]2]t{唧HI(z吒-月r，12H42L剖o-：)])侉·，
式中：
C：可燃?xì)怏w的濃度；
Q：泄漏源的泄漏速率，墮；
H：泄漏源高度，m；
仃，，吒：橫風(fēng)向和豎直方向的系數(shù)，m。
5．1_3簡(jiǎn)化高斯分布模型
為計(jì)算簡(jiǎn)便，對(duì)高斯模型作如下簡(jiǎn)化：
1．泄漏源處于地面處，即高度H=0；2．橫風(fēng)向和豎直方向的系數(shù)相等，即
114
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
crv=吒=盯；3．假設(shè)氣云形狀為半球形，可燃?xì)怏w濃度為中心對(duì)稱分布a
因此，式(5一1)司以簡(jiǎn)化如F：
c=去．cx似枷H一圭(爿H一言(爿”
=老一帕枷H制2H制2]}
=案嗽帕硼唧H圳洛2’
=罟．expf一丟等}
=罟唧l一丟；I
對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到：
C=A·expE-B‘，2] (5—3)
式中，A、B為系數(shù)，r為到泄漏點(diǎn)的距離。
5．2高斯分布可燃?xì)庠票嫉臄?shù)值模擬
5．2．1理論模型
假設(shè)氣云形狀為半球形，可燃?xì)怏w濃度呈現(xiàn)中心對(duì)稱分布，在泄漏點(diǎn)處點(diǎn)火，即
在氣云中心點(diǎn)火。
理論模型與可燃?xì)怏w處于均勻濃度下的半球形氣云爆燃情況相同，詳見(jiàn)本文4．1
部分。
5．2．2氣云內(nèi)部可燃?xì)怏w的濃度分布
從式(5—3)可以看出，在可燃?xì)怏w的泄漏量一定的情況下，可燃?xì)怏w濃度的分布
規(guī)律受到系數(shù)A、B的影響。其中，A為泄漏點(diǎn)的濃度；B為指數(shù)，B數(shù)值較大時(shí)，濃
度梯度較大，氣云半徑較小，這種情況出現(xiàn)在大氣比較穩(wěn)定而風(fēng)力較小的條件下，麗／3
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
數(shù)值較小時(shí)，濃度梯度較小，氣云半徑較大，這種情況出現(xiàn)在大氣不穩(wěn)定或風(fēng)力較大
條件下。
根據(jù)5．1．2部分的敘述，可燃?xì)怏w要滿足2～4項(xiàng)要求才可能形成高斯氣云。根據(jù)可
燃?xì)怏w活性由低至高，常見(jiàn)的三種氣體為甲烷、乙烯、乙炔，它們與空氣的物性參數(shù)
表5-1典型可燃?xì)怏w物性參數(shù)‘104]
Table5·1 Physical parameters oftypical flammable gas
見(jiàn)表5．1。對(duì)比這些參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)乙烯與乙炔比較容易形成高斯氣云，而甲烷則相對(duì)
較難。本文一直采用乙炔為研究對(duì)象，所以這里也選擇乙炔作為可燃?xì)怏w進(jìn)行研究。
通過(guò)本文第2章的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在本文弱點(diǎn)火條件下，乙炔的爆燃極限為5．3～17．8％。因
此，泄漏點(diǎn)乙炔濃度，即參數(shù)A應(yīng)在此范圍之內(nèi)。另外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)還確定乙炔的最危
險(xiǎn)濃度為13．3％，為使研究更具有普遍性，本章將進(jìn)行三個(gè)算例的計(jì)算，泄漏點(diǎn)濃度
分別大于、等于、小于最危險(xiǎn)濃度，且乙炔的總泄漏量相同。
根據(jù)上述分析，假設(shè)前二個(gè)算例泄漏點(diǎn)乙炔濃度，即參數(shù)A分別等于17．3％與
9．3％；為進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)第三個(gè)算例為均勻分布?xì)庠疲胰矟舛葹?3．3％，氣云半徑
為20m。
半球形氣云所含純乙炔體積為：
0
％％=詈骨瑤·13．3％ (5-4)
o
高斯分布?xì)庠扑円胰搀w積為：
‰=辟?3仂
=f2．7T．?-3．爿·唧[一占．r2]dr
(5-5)
上面兩式相等，A為已知，B值可以求出。實(shí)際計(jì)算中，高斯分布?xì)庠频挠?jì)算邊
116
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
界取為100m，經(jīng)過(guò)試算，再增大計(jì)算邊界對(duì)結(jié)果己沒(méi)有明顯影響。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-2。
圖5—1為這三種氣云內(nèi)部乙炔濃度的分布曲線。
表5-2可燃?xì)庠茀?shù)表
Table5-2 Parameters of flammable gas cloud
圖5—1乙炔濃度隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5—1 Concentration ofethyne against distance from explosion center
5．3數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論
5．3．1數(shù)值模擬結(jié)果
如表5—3所示，為三個(gè)算例不同位置的計(jì)算最高超壓，根據(jù)結(jié)果作圖5-2。
算例1、2為高斯分布?xì)庠票?，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，二者最高超壓變化趨勢(shì)基本
相同，都是在爆燃開(kāi)始后超壓有一上升過(guò)程，在到達(dá)10m后達(dá)到最高點(diǎn)，然后逐漸下
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
降。它們的最高超壓的數(shù)值都較低，分別只有4．3與1．8好a。
算例3為均勻濃度分布的氣云爆燃，通過(guò)本文第3章實(shí)驗(yàn)與第4章的數(shù)值模擬得
知，半球形氣云爆燃火焰會(huì)越過(guò)氣云邊界，直到約氣云半徑2倍處才熄滅。通過(guò)計(jì)算
結(jié)果可以看出，爆燃開(kāi)始后，最高超壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在約1．5倍氣云半徑處達(dá)到最高
值，然后緩慢下降。該算例的最高超壓達(dá)到42．3kPa，已具有較強(qiáng)的破壞能力，分別是
算例1、2產(chǎn)生的最高超壓的9．8和23．5倍。
表5-3不同位置的最高超壓
Table5-3 Maximum overpressure at different point(kPa)
50
40
重30
詈20
10
0
0 10 20 30 40
r／m
圖5-2最高超壓隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5-2 MExLmum ove'qgressl．tre against distance from explosion center
5’3．2計(jì)算結(jié)果分析與討論
從上述的計(jì)算結(jié)果可以看出，三種氣云的可燃?xì)怏w總量相同，也就是說(shuō)所含化學(xué)
能相同，但由于可燃?xì)怏w分布形式的不同，氣云爆燃強(qiáng)度相差很大。均勻分布?xì)庠票?
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
燃可產(chǎn)生具有較大破壞力的超壓，而高斯分布?xì)庠票甲罡叱瑝簝H為幾kPa量級(jí)，破
壞力較小，并且隨著距離的增大，具有衰減為定壓燃燒的趨勢(shì)。本節(jié)將從幾個(gè)方面對(duì)
這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行討論。
5．3．2．1燃燒速率分析
可燃?xì)庠票紡?qiáng)度與能量的釋放速率有關(guān)。具有同樣能量的氣云，能量釋放速率
越快，爆燃強(qiáng)度越高；能量釋放速率越慢，則強(qiáng)度越低。燃燒速率(buming rate)是
描述能量釋放速率的～個(gè)參數(shù)，是指單位時(shí)間、單位體積內(nèi)燃料的消耗質(zhì)量，本文用
‰表示。
表5．4與圖5．3為三個(gè)算例中，不同位置的最高燃燒速率的變化情況。
可以看出，算例3為混合均勻的氣云，在氣云內(nèi)部不同位置的最高燃燒速率基本
相等，超過(guò)氣云半徑1．5倍后，由于可燃?xì)怏w濃度的下降，所以燃燒速率才得以下降。
算例1、2為非均勻氣云，可通過(guò)第4章的燃燒模型來(lái)分析。
且盧2蜀4考pk日b一一一cq)
當(dāng)珞莖‰。時(shí)
當(dāng)‰>‰。時(shí)
(4—7)
(4—12)
(4—13)
式中，‰與“1分別是燃料濃度與該濃度對(duì)應(yīng)的燃燒速度；y觸與U10分別是最危險(xiǎn)濃度
和對(duì)應(yīng)的基本燃燒速度；而‰u與‰L表示的是燃料爆燃的上、下限。
從式(4．7)可以看出，燃燒速率與層流燃燒速度成正比，而從(4—12)、(4—13)看出，
不同濃度下的層流燃燒速率與當(dāng)前濃度有關(guān)。通過(guò)對(duì)上列三式的分析，可以得出結(jié)論，
當(dāng)可燃?xì)怏w濃度越接近于最危險(xiǎn)濃度時(shí)，層流燃燒速度越高，燃燒速率則越大。反之，
可燃?xì)怏w濃度越偏離最危險(xiǎn)濃度，層流燃燒速度越低，燃燒速率越小。
對(duì)于算例1，在氣云中心處濃度高于最危險(xiǎn)濃度，隨著半徑的增大濃度逐漸降低，
臘
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
到lOm處接近于最危險(xiǎn)濃度。因此，根據(jù)上述分析，并結(jié)合圖5-4發(fā)現(xiàn)，算例1的最
高燃燒速率，在爆燃開(kāi)始階段隨著半徑的增大而升高，到達(dá)約lOm處達(dá)到最高值，然
后隨著濃度的降低而下降。
而對(duì)于算例2，在氣云中心處濃度即小于最危險(xiǎn)濃度，所以在圖中發(fā)現(xiàn)，最高燃燒
速度沒(méi)有明顯的上升階段。但由于它的濃度分布與算例1相比，變化較為平緩，它的
最高燃燒速度曲線變化也相對(duì)較緩。
表5-4不同位置的最高燃燒速率
Table5-4 Maximum burning rate at different point 蚓(rn3s))
O 10
圖5-3最高燃燒速率隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5-3 Maximum burning rate against distance from explosion center
5．3．2．2火焰速度分析
氣云爆燃過(guò)程中，火焰速度是一個(gè)很重要的參量?；鹧嫠俣仍礁撸诨鹧骊嚸媲?
120
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
會(huì)產(chǎn)生較高的膨脹流動(dòng)，流動(dòng)的氣體像活塞一樣沖擊前面的大氣，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的沖
擊波。
從表5．5與圖5-4可以看出，對(duì)于算例3這樣的混合均勻的氣云，在氣云內(nèi)部，火
焰速度隨著傳播距離的增大而升高。說(shuō)明對(duì)于混合均勻的氣云爆燃，火焰具有自加速
的作用，所以氣云半徑越大，產(chǎn)生的火焰速度越高，爆燃的強(qiáng)度也會(huì)越高。
對(duì)于算例1、2，在爆燃開(kāi)始后，火焰速度也具有一個(gè)加速階段。但是隨著半徑的
增大，可燃?xì)怏w的濃度逐漸下降，導(dǎo)致燃燒速率降低，能量的釋放速率下降，已經(jīng)維
持不了火焰的加速作用，所以火焰?zhèn)鞑ブ羐一定距離后，火焰速度開(kāi)始逐漸降低。并且
隨著火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的增大，火焰速率逐漸接近于基本層流燃燒速度，說(shuō)明爆燃有衰減
為定壓燃燒的趨勢(shì)。
表5-5不同位置的最高火焰速度
Table5—5 Burning velocity at different point(m／s)
0 10 20 30
r／m
圖54最高火焰速度隨到爆心距離的變化曲線
Fig．5-4 Burning velocity against distance from explosion center
121
瑚
m
m
∞
們
。
臂7籮oo
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
5．3．2．3討論
從上面的計(jì)算分析中，可以發(fā)現(xiàn)，可燃?xì)庠票伎梢苑譃槿惒煌那闆r。
第一類是可燃?xì)庠苾?nèi)部，可燃?xì)怏w與大氣混合均勻，并且處于、或接近于最危險(xiǎn)
濃度。這類氣云在爆燃開(kāi)始后，火焰具有自加速作用，氣云半徑越大，火焰速度越高，
爆燃強(qiáng)度也就越高。大尺寸的這類氣云爆燃具有較強(qiáng)的破壞能力。
第二類是氣云內(nèi)部可燃?xì)怏w分布不均勻，在泄漏點(diǎn)附近濃度大于最危險(xiǎn)濃度。這
類氣云在爆燃初始階段，火焰有一個(gè)加速階段，超壓也會(huì)逐漸上升，然后隨著可燃?xì)?
體濃度的下降，火焰速度逐漸下降，超壓也逐漸下降。因此，大尺寸的這類氣云爆燃，
氣云內(nèi)部會(huì)有一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生具有較弱破壞力的超壓(如門(mén)窗玻璃破
裂等)；但對(duì)于氣云整體來(lái)說(shuō)，它所產(chǎn)生的超壓不具有較強(qiáng)的破壞能力。
第三類是氣云內(nèi)部可燃?xì)怏w分布不均勻，在泄漏點(diǎn)附近濃度小于最危險(xiǎn)濃度。這
類氣云在爆燃過(guò)程中，火焰沒(méi)有明顯的加速階段，并且隨著距離的增大，爆燃具有衰
減為定壓燃燒的趨勢(shì)。因此，大尺寸的這類氣云爆燃所產(chǎn)生的超壓，不具有破壞能力。
一般情況下，在實(shí)際過(guò)程中，不會(huì)形成混合均勻的可燃?xì)庠?。因此，即使較大尺
寸的氣云發(fā)生爆燃，也不會(huì)產(chǎn)生較高的超壓。只有在極其特殊的情況下，如可燃?xì)怏w
泄漏量較大，大氣穩(wěn)定度較高，風(fēng)力較小，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的混合，才可能形成混合
較好的氣云，從而在爆燃過(guò)程中產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞能力。這種現(xiàn)象在工業(yè)實(shí)際中也出現(xiàn)
過(guò)。因此，在化工廠、油庫(kù)等單位選址時(shí)，不能選擇在地勢(shì)低洼，不易于空氣流通的
位置。并且在發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，一定要加強(qiáng)通風(fēng)，從而避免混合較好的氣云的形
成。
5．4小結(jié)
本章對(duì)高斯分布的可燃?xì)庠票歼M(jìn)行了數(shù)值模擬，并且與具有均勻分布的氣云爆
燃進(jìn)行了對(duì)比分析。具體結(jié)論有：
(1)可燃?xì)庠票紡?qiáng)度與可燃?xì)怏w的分布規(guī)律密切相關(guān)。而氣云內(nèi)部的可燃?xì)怏w
分布規(guī)律受到泄漏狀態(tài)、環(huán)境因素等有影響，對(duì)于點(diǎn)源泄漏，如果條件適宜，可形成
符合高斯分布的可燃?xì)庠啤?
(2)混合均勻的可燃?xì)庠票紩r(shí)，火焰具有自加速作用，爆燃強(qiáng)度隨著氣云半徑
的增大而加強(qiáng)。大尺寸可燃?xì)庠票季哂休^強(qiáng)的破壞能力。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
(3)具有高斯分布的可燃?xì)庠?，隨著到爆心距離的增大，可燃?xì)怏w濃度逐漸降低，
燃燒速率也逐漸降低，維持不了火焰的自加速作用，因此不會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的超壓。大尺
寸的氣云爆燃產(chǎn)生的超壓不具有較強(qiáng)的破壞能力。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
6有障礙物可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)
實(shí)踐證實(shí)，障礙物是影響氣云爆燃重要因素之一，對(duì)爆燃強(qiáng)度具有較強(qiáng)的促進(jìn)作
用。本章首先設(shè)計(jì)了具有規(guī)則形狀的障礙物，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)方法研究了障礙物的特性
參數(shù)對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響。然后構(gòu)造了BP型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)有障礙物可
燃?xì)庠票紡?qiáng)度進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。
6．1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法
6．1．1障礙物設(shè)計(jì)
目前，障礙物影響實(shí)驗(yàn)分為兩類。一是障礙物直接選自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如排管、平板，
篩板等，然后進(jìn)行可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)：二是在管道內(nèi)，選取圓環(huán)等簡(jiǎn)單障礙物進(jìn)行實(shí)
驗(yàn)，更側(cè)重于理論研究。但二者都有各自弱點(diǎn)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的障礙物千差萬(wàn)別，選取實(shí)
際障礙物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)大量人力、物力，也不容易得到具有規(guī)律性的結(jié)論；而后者
通過(guò)簡(jiǎn)單障礙物做起，希望在理論方面有所突破，然后應(yīng)用到可燃?xì)庠票紡?qiáng)度預(yù)測(cè)
中，但限于目前水平，到實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離。
根據(jù)對(duì)上述方法的分析，本文進(jìn)行的障礙物實(shí)驗(yàn)將遵從二個(gè)原則：一是實(shí)驗(yàn)應(yīng)屬
于可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近于生產(chǎn)實(shí)際；二是要對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的障礙物
進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)出具有代表性的障礙物，以便于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到有意
義的結(jié)論與規(guī)律。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的障礙物有房屋、塔、罐、列管、篩板等，雖然大小、材質(zhì)、形狀
等相差很大。但經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可以采用幾個(gè)參數(shù)對(duì)它們進(jìn)彳亍描述，如到點(diǎn)火源的距
離、障礙物尺寸、空隙率(截面上空隙占總面積的比例)等。因此，有必要選取這幾
個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
通過(guò)上述分析，本文障礙物實(shí)驗(yàn)確定為：設(shè)計(jì)半球環(huán)條柵形障礙物，選取障礙物
尺寸、條柵寬度、空隙寬度等特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
6．1，2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置
實(shí)驗(yàn)時(shí)，障礙物用膠帶固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上(圖6—1，a)，障礙物球心與氣云球心
重合。傳感器沿氣云半徑周向布置，距離地面高度均為100mm，如(6—1，b)所示。
實(shí)驗(yàn)中采用的障礙物規(guī)格表見(jiàn)表6-1。
125
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
氣云
(a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
(a)SchematicdiagramofexperimentN system
(b) 障礙物示意圖
(b)Obstruction schema在c diagram
圖6—1半球形障礙物實(shí)驗(yàn)裝置圖
Fig．6—1 Sernisphefical obstrucdon test equipment diagram
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
注：表中空隙率為面積空隙率，即障礙物表面上空隙面積占總面積的比例。
6．1_3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
本章實(shí)驗(yàn)將分為兩個(gè)部分。
(1)正交實(shí)驗(yàn)：考察單層半球條柵形障礙物三個(gè)特性因素：半球條柵形障礙物半徑
ro、障礙物條柵寬度b、障礙物空隙寬度bo對(duì)爆炸超壓4p的影響，以及它們之間
的交互作用。
(2)主體實(shí)驗(yàn)：在正交實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)提
供訓(xùn)練及檢驗(yàn)樣本。
為了更好地研究半球條柵形障礙物的特性參數(shù)(r，b，bo)對(duì)爆炸威力的增強(qiáng)規(guī)律
及影響，并論證本文中討論的各個(gè)因素對(duì)于爆炸威力影響的顯著性，特針對(duì)障礙物的
以下三個(gè)特征因素設(shè)計(jì)具有交互作用的正交實(shí)驗(yàn)：
(1)半球條柵形障礙物半徑ro(ram)：100，200，300
(2)半球條柵形障礙物條柵寬度b(mm)：15，30，45
(3)半球條柵形障礙物空隙寬度bo(姍)：15，30，45
本實(shí)驗(yàn)是三因素三水平單指標(biāo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的因素水平如表6—2所示。該實(shí)驗(yàn)除考慮
以上三個(gè)因素外，還要求研究交互作用：A×B，AXC，BXC對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)一爆炸超壓
Ap的影響。因此，除三個(gè)因素占三列外，三個(gè)交互作用都各需占用-ytj，這樣一共要
占正交表六個(gè)列，因此選用L。(3t，)正交表。查相應(yīng)的交互作用列表【93螄1設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方
案如表6—3所示【106～1081。
查矍里三查蘭竺主堂垡壘奎
表6-2實(shí)驗(yàn)的因素水平表
Table6-2 The experiment factor andIeveI
A B C
障礙物半徑，，以nm 障礙物空隙寬度，bdmm 障礙物條柵寬度，b／mm
1 100 15· 15
2 200 30 30
3 300 45 45
表6-3正交實(shí)驗(yàn)方案表
Table 6．3 The orthodoxy experimental scheme table
列號(hào)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
實(shí)驗(yàn)號(hào)A B AB C AC BC
6．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
6．2．1正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
表6．4為正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表中為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)超壓的平均值，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄3a
表64正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表
Table 6-4 The orthodoxy experimentM l'eSults table
實(shí)驗(yàn)號(hào)測(cè)點(diǎn)距爆源中心距離r／m
0．7 0．9 1．1 1．5 2．7 3．5
1(A181C1)4．205 3．868 3．481 2．546 1．548 0．623
2(A181C2)
3(A181C3)
4(A182C1)
5(A182C2)
6(A182C3)
7(AlB3C1)
8(A183C2)
9(A183C3)
10(A281C1)
3．885
3．326
4．270
4．108
3．945
14．204
4．082
4．105
18．04l
3．497
3．009
3．950
3．588
3．641
9．254
3．654
3．586
13．703
3．365 2．398 1．337 0．525
3．021
3．578
3．420
3．301
7．241
3．541
3．317
9．238
2．197
3．009
2．512
2．404
4．302
2．512
2．436
6．511
1，202
1．658
1．449
1．346
2．955
1．462
1．336
3．319
0．476
0．688
O．562
0．589
2．554
0．585
0．473
2．080
塑型整墊塞墨生!里塑皇墨墨整堡壅要塞
11(A2BIC2) 7．795 6．634 5．098 4．607 3．199 2．274
12(A281C3) 5．521 4．428 3．403 2．635 1．796 0．848
13(A282C1) 13．450 11．078 7．556 5．248 3．291 2．340
14(A282C2) 9．973 8．263 4．521 3．492 1．937 1．414
15(A282C3) 5．307 4．304 3．056 2．571 1．431 O．830
16(A283C1) 19．055 17．777 10．937 9,453 3．426 2．544
17(A283C2) 7．282 6，784 3．873 2．964 1．947 1．196
18(A283C3) 6．169 4．762 3．432 3．200 1．528 O．915
19(A381C1) 35．512 32．224 29．616 11．854 9．844 8．887
20(A381C2) 33．894 29．011 13．584 10．926 4．958 3．564
21(A381C3) 13．748 12．321 6．543 4．923 3．412 2．805
22(A382C1) 36．221 35．055 27．542 17．025 10．011 9．872
23(A382C2) 34．393 29．794 19．620 9．694 7．794 6．340
24(,A382C3) 31．988 20．585 13．548 8．587 6．018 3．024
25(A383C1) 39。241 36，926 34．897 17．081 9．255 9．521
26(A383C2) 34．980 28．560 18．987 8．889 7．021 4．258
27(A383C3) 31．140 29．536 16．704 9．219 6．932 5．106
為便于數(shù)據(jù)分析，取距爆源中心d=O．7m處超壓平均值進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表
6．5。
表6-5正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析表
Table 6-5 The analysis table oforthodoxy experimental results
!塑!盟!絲! !墮墜旦塑旦全堂1
1 1(100) 1(15) 1 1(15) 1 1 4．205
l
1
2(30)
2
2
3(45)
3
3
129
2(30)
3(45)
1
2 2
3 3
1 1
2 2
3 3
2 3．885
3 3．326
3 4．270
1 4．108
2 3．945
2 14．204
3 4．082
1 4．105
1
1
2
2
2
3
3
3
}1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
2(200) 1
2 1
2 l
2 2
2 2
2 2
2 3
2 3
2 3
3(300) 1
3 1
3 1
3 2
3 2
3 2
3 3
3 3
3 3
18．041
7，795
5．521
13．450
9．973
5．307
19．055
7．282
6．169
35．512
33．894
13．748
36．22l
34．393
31_988
39．24I
34．980
31．140
呵． 46．130 125．928 151．120 184．199 142．944 145．342
』“
， 92．592 143．654 148．095 140．392 139．496 140．928
』．1
， 291．118 160．258 130．624 105．249 147．400 143．569
』：’
i 15．377 41．976 50．373 61．400 47．648 48．447
』jt
i 30．864 47．885 49．365 46．797 46．499 46．976
』：1
彳97．039 53．419,4-3．541 35．083 49．133 47．856
』j’
D 244．988 34．330 17．470 78．950 3．447 4．415 —注—：—(1)．表中．％．表示．第．，列．因素水．平k(k．=1,．2，．3)的．3次：實(shí)驗(yàn)E!指．標(biāo)之I—和：——一一
(2)表中露=＆／3表示第，列因素水平后(七=1，2，3)的3次實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的平均數(shù)；
(3)表中R，表示極差，定義為B=m覦奴}一聊i咒Tjk}。
IS；kf3 I$ki3
由表6-5極差分析可以看出：R，>B>R。>B>R。>R，說(shuō)明對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(爆燃超
E,ZXp)來(lái)說(shuō)，各因素的影響由主到次依次為：因素1(A_障礙物半徑托)、因素5(C—
130
1
2
3
3
1
2
2
3
1
1
2
3
3
l
2
2
3
I
3
1
2
3
1
2
3
1
2
2
3
l
2
3
1
2
3
l
1
2
3
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M"塢坶加扒艙∞M巧撕”
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
障礙物條柵寬度6)、因素2(B．障礙物空隙寬度bo)、因素4(AB)、因素8(BC)、因
素6(Ac)，即障礙物的三個(gè)特性參量：障礙物半徑、障礙物條柵寬度和空隙寬度對(duì)爆
燃超壓的影響是顯著的，而障礙物各特性因素的交互作用的影響不顯著。
對(duì)上述各因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表6-6。取顯著性水平d=0．1，查表[94】得
力”川J=9．0，由于凡、B和Fc均大于9．0，可以得到：障礙物的特性因素，即障礙物
半徑ro、障礙物條柵寬度b和障礙物空隙寬度bo對(duì)爆燃超壓都有顯著影響，而障礙物
三個(gè)特性參數(shù)的交互作用對(duì)爆燃超壓的影響不顯著。各因素影響效果的關(guān)系由主到次
依次為：因素1(～半徑ro)、因素5(c．條柵寬度6)、因素2(B一空隙寬度60)、因素
4(AB)、因素8(BC)、因素6(AC)，這與極差分析的結(jié)果是一致的。
表6-6正交實(shí)驗(yàn)的方差分析表
Table 6-6 Deviation analysis oforthodoxy experiment
南差寒溺J
平責(zé)幫Ssi 包電霞^均方麗j：SSi哆f F：靄if蕊ej
因素A 3762．5957 2 1881．2978 221．7726
因素B
因素C
BC
AC
AB
誤差e，
總和
13．1150
20．4925
0．0646
0．2057
1．6033
6．2．2主體實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定，在氣云半徑月。不變的前提下，障礙物半徑r0、障礙物條柵寬
度b和障礙物空隙寬度bo對(duì)爆燃強(qiáng)度都具有顯著影響。在正交實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了
39組實(shí)驗(yàn)，為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)施提供訓(xùn)練及檢驗(yàn)樣本。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄4。
6．3 BP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)
影響氣云爆燃強(qiáng)度的障礙物特性參數(shù)有3個(gè)，加上氣云半徑Ro，即影響爆燃強(qiáng)度
的共有四個(gè)因素。因素較多，很難采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸與擬合。
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大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于連接系統(tǒng)構(gòu)造的智能仿生模型，它是由大量神經(jīng)元組成的非
線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是算法與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一體，也是硬件與軟件的混合體。
具有非線性、非定常性等特點(diǎn)。主要研究非程序的自適應(yīng)性的和腦模式的信息處理問(wèn)
題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由大量處理單元(神經(jīng)元)互聯(lián)組成的非線性大規(guī)模自適應(yīng)動(dòng)力
學(xué)系統(tǒng)。它具有自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的能力。它已成功用于那些多個(gè)因素相互影
響或數(shù)據(jù)不全、關(guān)系不明確甚至數(shù)據(jù)短缺時(shí)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)(Kinetic Prediction)。其突出優(yōu)
點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)觀察和減小誤差由已知輸入再造輸出而進(jìn)行學(xué)習(xí)[10¨12]。
因此，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以用于氣云爆燃的模擬與預(yù)測(cè)，并且具有簡(jiǎn)單、
實(shí)用、精度較高的優(yōu)點(diǎn)。
6．3．1 BP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造
本文選用BP網(wǎng)絡(luò)，為3層結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱藏層和輸出層。網(wǎng)絡(luò)的輸入是氣
云半徑、障礙物的半徑、條柵的寬度以及空隙的寬度。網(wǎng)絡(luò)的輸出為氣云爆炸的超壓。
隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)目決定著網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度，它與訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)有關(guān)，根據(jù)本文情況，
適宜的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)在5～8個(gè)，具體選用幾個(gè)節(jié)點(diǎn)由試驗(yàn)確定。
6．3．2模型網(wǎng)絡(luò)的歸一化處理
對(duì)于可燃?xì)庠票ㄟ^(guò)程，采用BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練以及預(yù)測(cè)時(shí)，輸入?yún)?shù)分別是氣云
半徑R(O．25m～1．25m)、障礙物半徑r(0．1Ⅱ卜O．5m)、條柵寬度b(15mm一60mm)、空
隙率中(20％100％)；輸出參數(shù)為爆炸超壓△P(0kPa～60kPa)?？梢钥闯觯@些參數(shù)
不僅物量意義不同，而且存在著量級(jí)上的區(qū)別。當(dāng)采用BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練及預(yù)測(cè)時(shí)，如
果各個(gè)輸入和輸出變量存在明顯的量級(jí)差別時(shí)，易造成網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值判別過(guò)大，
致使網(wǎng)絡(luò)性能降低，進(jìn)而增加了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的難度，從而影響到預(yù)測(cè)的精度。為此需要
運(yùn)用數(shù)學(xué)的手段對(duì)變量進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砼c變換。本文采用“歸～化”處理方法對(duì)原始
數(shù)據(jù)做重新整理后再用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與預(yù)測(cè)。具體做法是用下面的算式進(jìn)行變換：
z=互二玉也
tm找一一。h
式中：一。。一第i維輸入數(shù)據(jù)的最小值：
薯一一第i維輸入數(shù)據(jù)的最大值
(6—8)
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
0一歸一化后的新值。
經(jīng)過(guò)(6-8)式處理后，全部變量t的值將被映射g『J[0，11區(qū)間。這樣一來(lái)，用于網(wǎng)絡(luò)
訓(xùn)練的變量之間便不再有量級(jí)上的差別。對(duì)于一般的模擬對(duì)象，上述處理己能夠滿足
網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的要求。
6．3．3訓(xùn)練與檢驗(yàn)樣本的確定
實(shí)驗(yàn)共66組，隨機(jī)選取60組作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本。另外6組實(shí)驗(yàn)作為
檢驗(yàn)樣本。檢驗(yàn)樣本在附錄上中分別為2、8、16、21、32、43#實(shí)驗(yàn)。
6．3．4模擬、預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)
MATLAB是由美國(guó)的Mathworks公司推出的一個(gè)科技應(yīng)用軟件f11lJl21。它是一種
高性能的用于工程計(jì)算的編程軟件，它把科學(xué)計(jì)算、結(jié)果的可視化和編程都集中在一
個(gè)使用非常方便的環(huán)境當(dāng)中。在這個(gè)環(huán)境中，用戶的問(wèn)題和得到的結(jié)果都是通過(guò)用戶
非常熟悉的數(shù)學(xué)符號(hào)來(lái)表達(dá)的。MATLAB典型的應(yīng)用范圍包括以下幾個(gè)方面：
·數(shù)學(xué)計(jì)算
●算法推導(dǎo)
·建模和仿真模擬
·數(shù)據(jù)分析和結(jié)果的可視化
●工程圖形的繪制
●應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，包括用戶圖形界面的建立
MATLAB最早作為矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)，是用來(lái)提供與LINPACK和
E塔PACK矩陣軟件的接口的，后來(lái)，它逐漸發(fā)展成為具有通用科技計(jì)算、圖形交互系
統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的國(guó)際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。MATLAB經(jīng)過(guò)多年的使
用，在歐美等國(guó)家的高等院校中，己經(jīng)成為應(yīng)用線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、
數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的基本教學(xué)和研究工具，并成為本科生、研究生
們必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門(mén)，MATLAB已經(jīng)成為研究和解決
各種具體工程問(wèn)題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件。
用MATLAB語(yǔ)言構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)，編寫(xiě)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與訓(xùn)練的子程序，
網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的需要去調(diào)用工具箱中有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練程序，使
自己能夠從繁瑣的編程中解脫出來(lái)。因此，本文采用MATLAB語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
序。
6．4模擬預(yù)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用
6．4．1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練
BP定理：給定任意占>0和任意厶igl數(shù)f：[0，1]”一R4，存在一個(gè)三層BP網(wǎng)絡(luò)，
它可在任意s平方誤差內(nèi)逼近廠。
雖然BP定理告訴我們，只要用三層的BP網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)厶函數(shù)，但實(shí)際上，還
是有必要使用更多層的BP網(wǎng)絡(luò)，其原因是用三層BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)厶，往往需要大量的
隱層節(jié)點(diǎn)，而使用多層網(wǎng)絡(luò)可減少隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。但如何選取網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)，
還沒(méi)有確切的方法和理論，通常是憑對(duì)學(xué)習(xí)樣本和測(cè)試樣本的誤差交叉評(píng)價(jià)的試錯(cuò)法
選取。
本文選取網(wǎng)絡(luò)隱層數(shù)目為1層，下面選取隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目可
選范圍為5、6、7、8。如果節(jié)點(diǎn)數(shù)目太少，則預(yù)測(cè)精度較低，數(shù)目太多時(shí)，則要求樣
本數(shù)較多。選取依據(jù)為兩個(gè)：一是網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)收斂速度，二是對(duì)檢驗(yàn)樣本預(yù)測(cè)時(shí)的精
度。
網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)，設(shè)定誤差限為O．001，迭代次數(shù)限定為50000。檢驗(yàn)樣本為6個(gè)，本
節(jié)只選取距測(cè)點(diǎn)0．7m爆炸超壓為預(yù)測(cè)目標(biāo)。
從圖6．2可以看出，不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下，迭代數(shù)目隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多而減少。最
大迭代數(shù)目為243次，最小為53次，迭代數(shù)目都不是很大，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)都比較容易收
斂，所以在確定隱藏層數(shù)目時(shí)，可以不考慮收斂速度的影響。
從表6—7可以看出，5、8節(jié)點(diǎn)時(shí)誤差略高，6、7節(jié)點(diǎn)時(shí)誤差相差不多，而6節(jié)點(diǎn)
時(shí)誤差最小，所以最后選取節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
6．4．2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢驗(yàn)
隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)目確定為6個(gè)，選取6個(gè)檢驗(yàn)樣本中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)。結(jié)
果見(jiàn)表6-8。
從表中可以看出，BP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練過(guò)，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合很好。在6個(gè)檢驗(yàn)樣
本中，總平均偏差為8．6％?？梢?jiàn)，BP網(wǎng)絡(luò)可以成功地用于氣云爆炸的模擬與預(yù)測(cè)。
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圖6-2不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目時(shí)迭代次數(shù)
Fig．6-2 Itemtive number against node number
表6-8 ANN網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與誤差
Table 6．8 Prediction valtie and errors of ANN
實(shí)驗(yàn)值位Pa 3．885
O·7 預(yù)測(cè)值衄a 3,436
相對(duì)偏差／％ 6．1
實(shí)驗(yàn)值以毋a 3．497
0,9 預(yù)測(cè)值衄a 3．412
相對(duì)偏差M 1．2
實(shí)驗(yàn)值肥)a 3．365
1·1 預(yù)測(cè)值／kPa 3．959
相對(duì)偏差／％ 8．1
實(shí)驗(yàn)值瓜Pa 2．398
1·’ 預(yù)測(cè)值／kPa 1．895
相對(duì)偏差／％ 11．7
4．127
3．737
4．9
3．740
3．342
5．6
3．449
3．931
6．5
2．534
2．528
O．1
5．307
5．521
1．9
4．304
4．495
2．1
3．056
3．421
5．6
2．571
2．842
5．0
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7．282 19．489 32．727
12．260 14．363 34．03 1
9．2
25．4 15．1 1．9
6．784 16．628 21．701
7．274 12．258 21．592
4．6
3．4
3．873
5．499
17|3
2．964
4．842
24．0
15．1 0．2
10．011 14．043
8．410 13．160
8．6 3，2
6．733 8．559
6．437 6．454
2．2 14．0
9．5
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大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
實(shí)驗(yàn)值^于a 1．337
o7 預(yù)測(cè)值N．Pa 1．475
相對(duì)偏差肼4．9
實(shí)驗(yàn)值^心a 0．526
3·5 預(yù)測(cè)值／l心a 0．556
相對(duì)偏差肼2．8
平均相對(duì)偏差／％
6．4，3可燃?xì)庠票嫉哪M與預(yù)測(cè)
本章研究范圍內(nèi)，影響氣云爆燃因素有氣云半徑、障礙物半徑、條柵寬度、空隙
率等。下面采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行模擬，探討以上4個(gè)因素對(duì)爆燃超壓影響的規(guī)律。
6．4．3．1氣云半徑對(duì)爆燃超壓的影晌
實(shí)驗(yàn)分為兩類，一是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，障礙物半徑不變；二是障礙物半徑與氣云半徑
之比不變。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：1：氣云半徑R=0．2m～1．4m，障礙物半徑ro=0．2m，條
柵寬度b=30ram，空隙率≯=50％；2：其它條件不變，只是障礙物半徑發(fā)生變化，
％。=％。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6-9。
在表6-9中，任選2、6、7、13#四組預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以測(cè)點(diǎn)到爆心的距離與氣云半徑
之比(r／兄)為橫坐標(biāo)作圖6—3。圖中可見(jiàn)，爆燃超壓隨著測(cè)點(diǎn)到爆心距離的增加而
逐漸下降，規(guī)律性較好，說(shuō)明該預(yù)測(cè)符合物理規(guī)律。
選取，／B=1．4時(shí)的數(shù)據(jù)，以氣云半徑為橫坐標(biāo)作圖6-4?？梢?jiàn)，爆燃超壓隨著氣
云半徑的增大而明顯升高，趨勢(shì)非常明顯。從表6-9可見(jiàn)，氣云半徑由0．2m至1．4m，
上升了6倍。爆燃超壓，在障礙物半徑％=O．2m情況下，由4．323kPa到22．746始a，上
升了4．2倍；而在障礙物與氣云半徑比％。=％情況下，由2．260kPa到58．086k-pa，
上升了24．7倍。說(shuō)明，與半球形氣云爆燃相同，存在障礙物時(shí)，氣云半徑也是影響爆
燃強(qiáng)度的重要因素。
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0．2 ro=0．2Ⅲ
1 4．323 4．176 3．927 3．214 2,237 1,221
矗／見(jiàn)：0．5 2 2．260 2·143 2．036 1．840 1．425 0,828
O．4 rn=0,2m
3 6．780 5．422 4219 4．084 2．148 1·327
ro／見(jiàn)：0．5
4 6．780 5．422 4．219 4．084 2．148 1．327
0．6 ％=0．2m
5 10．253 8．684 6·205 3·834 2．177 1，598
，n／凡：0．5
6 34·055 27·488 19·288 13．558 7．655 6．513
0_8 rn=0．2m
7 14·822 12·583 9．056 6．484 4．480 2．987
％／R：0．5 8 40·470 38·798 30-269 10．923 7．084 3．330
1 n ro：0．2m
9 17·837 14·533 10·858 7．252 5．785 2，34l
蠢／凡：0．5 10 49-219 43-609 38·434 20-548 12．908 7．416
1 2 rn：0．2m
11 19·275 15·437 14·655 12．137 7,991 4．430
rn／Ro：0．5
12 56·184 54-132 45—178 30．196 24．640 11．063
1．4 rn=0．2m
13 22-746 17·306 13·466 11·035 7·114 4·155
瑋／R：0．5
14 58·086 56-497 52·469 34．661 21．525 12．547
1 2 3 4 5 6 7
r／Ro
圖6-3不同氣云半徑時(shí)預(yù)測(cè)超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-3 Prediction overpressure against distance at different cloud mdius
139
"如硝加：。均，0
目魯日
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
60
50
40
皂30
司20
10
0
O
R扣
圖6-4預(yù)測(cè)超壓隨氣云半徑的變化曲線
Fig．6-4 Prediction overpressure against cloud radius
6．4～3 2障礙物半徑對(duì)爆燃超壓的影響
氣云半徑選定為O．5m，障礙物半徑由0．2m-lm，條柵寬度選定為30mm，空隙率
選定30％與70％兩種情況。預(yù)鋇4結(jié)果見(jiàn)表6—10。
在表6．10中，任選1、3、5、9#四組預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以測(cè)點(diǎn)到爆心的距離與氣云半徑
之比(r／R)為橫坐標(biāo)作圖6—5。爆燃超壓與測(cè)點(diǎn)到爆心距離成反比，規(guī)律性較好。
選取r，風(fēng)=1．4時(shí)的數(shù)據(jù)，以氣云半徑為橫坐標(biāo)作圖6-6。圖中可以看出，爆燃超
壓隨著障礙物半徑的增大而升高，當(dāng)障礙物半徑較小時(shí)(心O．3m)時(shí)，上升速度較快，
隨著半徑增大(>一O．3m)，上升趨勢(shì)變緩。從表6—11可見(jiàn)，障礙物半徑由O．1m至O．5m，
上升了5倍。爆燃超壓，在障礙物空隙率西=30％情況下，由4．770kPa到39．485kPa，
上升了7．3倍；在障礙物空隙率西=70％情況下，由3．385kPa到11．891kpa，上升了2．5
倍。
140
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
表6．10ANN網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值
，Ihble 6．10 Prediction value ofANN
2 3 4 5 6 7
r|R4
圖6-5不同障礙物半徑時(shí)預(yù)測(cè)超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-5 Prediction Ov451"pTeSSBI'e against distance at different obstacle radius
14l
柏撕如”加”∞，o
日自／d日
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
O．1 0．4
圖6-6預(yù)測(cè)超壓隨障礙物半徑的變化曲線
Fig．6-6 Prediction overpressure against obstacle radius
多能模型理論指出：氣云爆燃強(qiáng)度與氣云所受約束條件有關(guān)，氣云中受到約束部
分比例越高，爆燃強(qiáng)度越大。而障礙物的半徑越大，在同樣體積的氣云內(nèi)，氣云所受
約束的比例越高，所以爆燃超壓也就越高。
6．4．3．3條柵寬度對(duì)爆燃超壓和影響
氣云半徑選定為0．5m，障礙物半徑為O．2m，空隙率為30％與70％，改變條柵寬度
(b=10～50ram)，來(lái)檢驗(yàn)條柵寬度對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6-11。
圖6．7為在不同條柵寬度下，爆燃超壓隨到爆心的距離的變化情況，圖(a)對(duì)應(yīng)
空隙率西=30％，圖(b)對(duì)應(yīng)毋=70％。可以看出，條柵寬度b=10，20ram對(duì)應(yīng)的兩條
曲線明顯在其它曲線的上方，也就是值較高，其它三條曲線bB較接近。
以r／R=1．4處測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)條柵寬度作圖6．8?？障堵识?30％，妒=70％對(duì)應(yīng)
的兩條曲線，趨勢(shì)基本一致。lOmm<30mm階段，隨著條柵寬度的增加，爆燃超壓>30ram)，條柵寬度對(duì)爆燃超壓的影響較小。從表6，12的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中，
可以清楚看出這個(gè)趨勢(shì)，r／R=1．4處，當(dāng)空隙率廬=30％，b=lOmm時(shí)，爆燃超壓
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
卸=23．8786kPa，是b=30ram時(shí)超壓15．531kPa的1．5倍；而后者只是b=50mm時(shí)爆
燃超壓14．952kPa的1．04倍。
以上研究表明，氣云爆燃強(qiáng)度不僅與氣云所受約束的體積有關(guān)，也與爆燃過(guò)程中
所受擾動(dòng)有關(guān)。當(dāng)條柵寬度較小時(shí)，同樣空隙率情況下，條柵個(gè)數(shù)較多，這樣爆燃過(guò)
程中，膨脹氣流所受擾動(dòng)就越大，爆燃強(qiáng)度就越高；而隨著條柵寬度的增加，這種擾
動(dòng)影響逐漸減小，所以對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響也逐漸減小。
表6．11ANN網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值
T曲le 6—1l Prediction value of ADmf
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
25
20
重15
0 10
5
0
10
8
重6
導(dǎo)4
2
O
2 4
r／R o
(a)廬=30％
7
2 3 4 5 6 7
，偎o
(b)廬=70％
圖6．7不同條柵寬度時(shí)預(yù)測(cè)超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-7 Prediction Overpressure against distance at different bar width
144
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
25
20
重15
導(dǎo)10
5
0
10 30 40 50
6／mm
圖6-8預(yù)測(cè)超壓隨條柵寬度的變化曲線
Fig，6-8 Prediction overpressure against bar width
6t4．3．4障礙物空隙率對(duì)爆燃超壓的影響
氣云半徑選定為O．5m，障礙物半徑為O．2m，條柵寬度為lOmm與40mm，改變空
隙率數(shù)值(函=20％～100％)，來(lái)檢驗(yàn)空隙率對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6—12。
任選表中1、3、5、711}四組預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以測(cè)點(diǎn)到爆心的距離與氣云半徑之比(，／R)
為橫坐標(biāo)作圖6-9。爆燃超壓與測(cè)點(diǎn)到爆心距離成反比，規(guī)律性較好。選取，／R=I．4
時(shí)的數(shù)據(jù)，以空隙率為橫坐標(biāo)作圖6．10?？梢?jiàn)，爆燃超壓隨著空隙率的增大而明顯降
低，趨勢(shì)非常明顯。當(dāng)條柵寬度b=lOmm時(shí)，空隙率≯=20％時(shí)爆燃超壓
印=27．773kPa，是廬=100％時(shí)爆燃超壓3．721kPa的7．5倍。可見(jiàn)，空隙率對(duì)爆燃強(qiáng)
度的影響非常顯著。
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
2 3 4 5 6 7
西／％
圖6-9不同空隙率時(shí)預(yù)測(cè)超壓隨距離的變化曲線
Fig．6-9 Prediction overpresslIre against distance at different spacing rate
146
如
笛
∞
¨
m
，
0
≈電鬯龜司
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
6．5小結(jié)
30
25
日20
警15
q
10
5
0
20 40 60 80 100
士脫
圖6．10預(yù)測(cè)超壓隨空隙度的變化曲線
Fig．6-10 Prediction overpressure against spacing rate
(1)進(jìn)行了半球環(huán)條柵形障礙物對(duì)氣云爆燃影響的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，障礙物的特
征參數(shù)影響氣云爆燃強(qiáng)度，產(chǎn)生的爆燃超壓可達(dá)無(wú)障礙物時(shí)的10倍以上。各因素的影
響由主到次依次為：障礙物半徑m障礙物條柵寬度b、障礙物空隙寬度bo。此三個(gè)因
素對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響都是顯著的，而它們間的交互作用的影響不顯著。
(2)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)氣云爆燃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練與檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最后采
用3層BP網(wǎng)絡(luò)，隱藏層選取6節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)樣本的測(cè)試，確定平均偏差為8．6％，
說(shuō)明采用該技術(shù)可以用于氣云爆燃的模擬與預(yù)測(cè)。
(3)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)氣云爆燃進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：可燃?xì)庠瓢霃皆?
大、障礙物半徑越大、在一定范圍內(nèi)條柵寬度越小、空隙率越低，氣云爆燃的強(qiáng)度越
高。
147
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
7結(jié)論與展望
7．1本文主要結(jié)論
針對(duì)可燃?xì)庠票歼^(guò)程，分為無(wú)障礙物與有障礙物兩種情況，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了研究。
主要結(jié)論如下。
(1)采用實(shí)驗(yàn)方法研究了氣云體積，可燃?xì)怏w濃度，弱約束物的強(qiáng)度與層數(shù)、氣
云形狀等因素對(duì)氣云爆燃強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：氣云爆燃強(qiáng)度隨著氣云半徑的增大
而加強(qiáng)，半徑1．25m的氣云爆燃，產(chǎn)生的超壓可達(dá)到半徑O．5m氣云爆燃的1．9倍；開(kāi)
敞空間條件下，乙炔的最危險(xiǎn)濃度為13．3％，為化學(xué)計(jì)量比濃度的1．7倍：氣云爆燃強(qiáng)
度隨著約束物的強(qiáng)度的升高而增大，采用相對(duì)厚度為0．012的薄膜時(shí)，產(chǎn)生的超壓可達(dá)
無(wú)薄膜時(shí)的1．6倍，而采用4層薄膜時(shí)，產(chǎn)生的超壓可達(dá)到1層薄膜時(shí)的5．5倍；相同
體積與濃度的氣云，半球形氣云爆燃強(qiáng)度最高，圓柱形氣云爆燃強(qiáng)度隨著氣云形狀因
子(高徑比)的增大而提高。
(2)對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行了研究。對(duì)現(xiàn)有SIMPLE算法進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)出改進(jìn)的密度
校正方程，并改進(jìn)了計(jì)算流程。計(jì)算實(shí)踐證實(shí)，該方法可應(yīng)用于開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票?
燃流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算。
(3)采用Bakke-ttjertager燃燒模型、結(jié)合流體力學(xué)控制方程組、組分方程，建立
了描述半球形可燃?xì)庠票嫉亩S數(shù)學(xué)模型，并采用本文改進(jìn)的算法進(jìn)行求解。計(jì)算
結(jié)果經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，證實(shí)該數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映可燃?xì)庠票嫉奈锢砘?
學(xué)過(guò)程。
通過(guò)對(duì)爆燃流場(chǎng)變化規(guī)律的研究，得到以下結(jié)論：可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，爆燃波
由沖擊波與火焰面共同組成，可燃?xì)怏w濃度均勻分布的可燃?xì)庠?，爆燃過(guò)程中沖擊波
與火焰面之間距離逐漸增大，說(shuō)明爆燃不具有向爆轟轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，也不可能衰減為定
壓燃燒；氣云爆燃過(guò)程中，隨著氣云半徑的增大，火焰表面積逐漸增大，火焰速度升
高，膨脹流場(chǎng)速度加大，從而使氣云爆燃強(qiáng)度逐漸提高。
進(jìn)行了地面對(duì)氣云爆燃流場(chǎng)影響的研究。發(fā)現(xiàn)在本文研究范圍內(nèi)，由于地面的影
響，在爆燃過(guò)程中靠近地面處產(chǎn)生一個(gè)較薄的邊界層，在邊界層內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生變形，而
超過(guò)這個(gè)區(qū)域，地面對(duì)流場(chǎng)的影響則可忽略不計(jì)。
進(jìn)行了聚乙烯薄膜對(duì)爆燃流場(chǎng)影響的研究。通過(guò)流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：在薄膜破裂前，
149
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
邊界處堆積了密度、壓力較高的氣體；薄膜強(qiáng)度越高，破裂的時(shí)間越晚，堆積的氣體
密度與壓力也就越高；薄膜破裂時(shí)，在氣云邊界處生成由內(nèi)向外傳播的沖擊波，氣云
邊界處壓差越大，產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度越高。
以圓柱形可燃?xì)庠茷槔捎脭?shù)值模擬方法，研究了氣云形狀對(duì)爆燃流場(chǎng)與爆燃
強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，圓柱形氣云爆燃過(guò)程中，爆燃流場(chǎng)無(wú)法始終保持球形對(duì)
稱，靠近地面處為最危險(xiǎn)區(qū)域；氣云的高徑比越小(即形狀因子e越小)，氣云內(nèi)部可
燃?xì)怏w完全反應(yīng)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，能量的釋放速率就越低，因此爆燃強(qiáng)度也就越低。
對(duì)工業(yè)大尺寸可燃?xì)庠票紡?qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，處于最危險(xiǎn)濃度下的大
尺寸氣云爆燃具有較強(qiáng)的破壞力，例如半徑為80米乙炔／空氣氣云爆燃甚至具有使鋼筋
混凝土建筑完全毀壞的能力。而當(dāng)濃度偏離最危險(xiǎn)濃度時(shí)，爆燃強(qiáng)度明顯降低。
(4)以高斯分布?xì)庠茷槔?，進(jìn)行了非均勻分布?xì)庠票紡?qiáng)度的數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)
現(xiàn)，具有高斯分布的可燃?xì)庠疲S著到爆心距離的增大，可燃?xì)怏w濃度逐漸降低，燃
燒速率也逐漸降低，維持不了火焰的自加速作用，因此大尺寸的氣云爆燃也不會(huì)產(chǎn)生
較高超壓，這點(diǎn)與均勻氣云爆燃截然不同。
(5)設(shè)計(jì)了半球環(huán)條柵形障礙物。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該障礙物可增強(qiáng)氣云爆燃的強(qiáng)
度，最高超壓可達(dá)無(wú)障礙物時(shí)的10倍以上；障礙物的三個(gè)特性參數(shù)(障礙物半徑、障
礙物條柵寬度、障礙物空隙寬度)對(duì)爆燃強(qiáng)度都具有顯著性影響。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
對(duì)氣云爆燃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練與檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最后采用3層BP網(wǎng)絡(luò)，隱藏層選取
6節(jié)點(diǎn)。對(duì)檢驗(yàn)樣本進(jìn)行了測(cè)試，平均偏差為8．6％。采用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)：可燃
氣云半徑越大、障礙物半徑越大、在一定范圍內(nèi)條柵寬度越小、空隙率越低，氣云爆
燃的強(qiáng)度越高。
7．2展望
由于可燃?xì)庠票歼^(guò)程的復(fù)雜性，目前其強(qiáng)度研究水平還不很高，仍存在很多問(wèn)
題有待于進(jìn)一步的研究。例如：
(1)無(wú)障礙物時(shí)，任意形狀的非均勻氣云爆燃強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。本文僅以比較簡(jiǎn)單的
高斯分布?xì)庠茷槔?，進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，對(duì)其爆燃強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在現(xiàn)實(shí)發(fā)生泄
漏場(chǎng)合，氣云形狀、可燃?xì)怏w分布將非常復(fù)雜，這就需要能夠進(jìn)行三維數(shù)值模擬。未
來(lái)的發(fā)展方向，將把可燃?xì)庠菩纬深A(yù)測(cè)與氣云爆燃強(qiáng)度預(yù)測(cè)二者相結(jié)合，才可能對(duì)氣
云爆燃進(jìn)行比較精確的預(yù)測(cè)。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
(2)有障礙物可燃?xì)庠票?，短期?nèi)還需要依賴于實(shí)驗(yàn)研究。目前從事該方面研
究的機(jī)構(gòu)較少，研究又處于比較分散的狀態(tài)。因此，需要多進(jìn)行幾次類似于MERGE
這樣的大型聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，并建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到資源共享的目的，以減少重復(fù)勞動(dòng)，
達(dá)到事半功倍的作用。
(3)可燃?xì)庠票嫉膹?qiáng)度研究，涉及到很多學(xué)科，它的研究水平受到相關(guān)研究工
作發(fā)展?fàn)顩r的很大限制。例如：氣云爆燃實(shí)際上是一個(gè)燃燒過(guò)程，如果燃燒機(jī)理研究
有大的突破，就可以建立更好的燃燒模型，數(shù)值模擬工作就會(huì)有大的突破。因此，在
該領(lǐng)域還有很多工作要做。
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
創(chuàng)新點(diǎn)摘要
(1)對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行了研究，在傳統(tǒng)SIMPLE算法基礎(chǔ)上，采用壓力修正、速度
修正、密度修正相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出改進(jìn)的密度校正方程，并改進(jìn)了原有計(jì)算流程，
解決了壓力—速度一密度耦合問(wèn)題，從而得到了可應(yīng)用于開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票剂鲌?chǎng)
計(jì)算的算法。
(2)采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到了軸對(duì)稱可燃?xì)庠票剂鲌?chǎng)的變化
規(guī)律，揭示了爆燃超壓生成機(jī)理，分析了各因素對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響規(guī)律，并對(duì)工業(yè)大
尺寸氣云，以及非均勻分布?xì)庠票紡?qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
(3)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的障礙物進(jìn)行理想化與簡(jiǎn)化處理，設(shè)計(jì)了具有規(guī)則構(gòu)型的障礙物，
并選取障礙物半徑、條柵寬度、空隙率等具有代表性的特性幾何參數(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)
實(shí)驗(yàn)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，掌握了上述特性幾何參數(shù)對(duì)爆燃強(qiáng)度的影響
規(guī)律。
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
Q
0wr
p
仉
只一
符號(hào)說(shuō)明
意義及單位
回歸關(guān)系式中確定最佳相關(guān)性的常數(shù)
常數(shù)
障礙物面積阻塞率，％
障礙物條柵寬度，mm
障礙物空隙寬度，iillXl
音速，m／s
定壓熱容，kS／kg．K
薄膜厚度，mm
薄膜相對(duì)厚度
擴(kuò)散系數(shù)，m2／s
火焰速度，m／s
沖擊波速度，m／s
比內(nèi)能，J／'kg
爆源能量，J
活化能，ZS／m3
燃燒加強(qiáng)因子
圓柱形氣云高，m
比沖量，Pa·s
對(duì)流—擴(kuò)散總通量
正壓沖量，Pa·s
靜態(tài)比沖量，Pa·s
馬赫數(shù)
(1)薄膜層數(shù)
(2)網(wǎng)格個(gè)數(shù)
燃料燃燒熱，kJ／kg
n盯的爆熱，MI／kg
壓力，Pa
大氣壓力，Pa
多能模型中最大爆炸超壓，bar
153
艏。4腳％c。d礦D
珥n。E助西。，^盡L
M。
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
“
I r
礦
多能模型中的無(wú)量綱超壓
靜態(tài)壓力，Pa
爆炸超壓，kPa
多能模型中無(wú)量綱爆炸超壓
反應(yīng)熱，kJ／kg
到爆心的距離，m
障礙物半徑，m
多能模型中的無(wú)量綱距離
理想氣體常數(shù)
氣云半徑，m
燃燒速率，kg／(m3s)
密度，k酊
尺度比例因子，m
源項(xiàng)
燃料．空氣的層流燃燒速度，m／s
時(shí)間，s
通氣時(shí)間，s
正壓區(qū)作用時(shí)間，S
①溫度，K
②目標(biāo)自振周期，S
流場(chǎng)速度，m／s
燃燒速度，m／s
(1)氣云體積，m3
f21氣體流量，矗／s
多能法爆炸源區(qū)的障礙物的體積占有率
泄漏的燃料總量，kg
爆炸的TNT當(dāng)量，蠔
燃料濃度，％
燃料燃燒上限，％
燃料燃燒下限，％
氧氣濃度，％
產(chǎn)物濃度，％
P
“卸加g
，
％，尺島
如曲
雒只
坼，
^
L
T
尺
w
d
現(xiàn)
肌孵‰‰‰R
‰
塑墮整絲塞墨竺!旦燮苧墨堡塑璺堡竺莖一能量當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)
圓柱形氣云形狀因子，即高徑比
火焰層厚度，mm
密度，kg／m3
動(dòng)力粘度，N．曲一
導(dǎo)熱系數(shù)，W／m．K
(1)障礙物空隙率，％
(2)流體參數(shù)通式
障礙物阻塞率，目=1一西
等熵指數(shù)
艿
m占
如P
且^薩
口
丫
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
附錄1無(wú)障礙物氣云爆燃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果匯總
表1不同薄膜厚度時(shí)爆燃實(shí)測(cè)超壓
Table 1 The measured overpressures ofdeflagration experiments at deferent film thickness
d’ 距離△p／kPa
。b 窒竺堡蘭望堡
0．7 2．574 2．236 2．420 2．410
0．004
0．008
0．012
0
(破膜實(shí)驗(yàn))
O．9
1．1
1．5
2．7
3．5
0．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
O．9
1．1
1．5
2．7
3．5
1．984
1．436
1．502
0．521
O．32l
3．112
2．474
1．832
1．602
0．765
O．301
3．521
3．123
2．745
2．154
0．865
0．295
2．374
1．884
1．536
1．502
O．421
O．261
1．951
1．84l
1．436
0．513
O．215
2．968
2．501
1．874
1．55l
O．70l
0．352
3．421
3．213
2．965
2．031
0．741
0，289
2．236
1．65I
1．741
1．536
0．463
0．235
1．600
1．748
1．817
0．439
0．259
2．878
2．411
2，186
1．362
0．589
0．373
3．984
3．672
2．825
2．040
0．557
0．322
2．290
1．568
1．709
1．357
0．409
0．233
I．845
1_675
1_585
0．491
0．265
2．986
2．462
1．964
l'505
0．685
0．342
3．642
3r336
2．845
2．075
0．72l
0．302
2．300
1．701
1．651
1．465
0．431
0，243
156
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
表2不同薄膜層數(shù)時(shí)爆燃實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)超壓
Table 2 The measured overpressures ofdeflagration experiments at defereat film layer
H 距離△p／kPa
。h 墨竺堡蘭望堡
0．7 4．463 4．49l 4．477 4．477
0．9 3．489 3．966 3．726 3．727
2
l-1 3·131 2．728 2．937 2．932
4
L5 2．321
2．7 0．987
3．5 O．412
0．7 8．624
O．9 6．621
1．1 4．427
1．5 2．326
2．7 1．159
3．5 0．652
O．7 11．074
0．9 10．699
1．1 7．296
1．5 3．957
2．7 2．180
3．5 0．912
2．013
0．946
0．453
8．694
6．409
5．168
2．477
1．495
O．601
13．058
10．324
8．163
4．611
2．753
1f112
2．092
0．968
O．371
8．455
6．272
4．616
2．238
1．381
0．643
15．243
8．074
8．049
4．698
21432
1．012
2．142
0．967
0．412
8．591
6．434
4．737
2．347
1．345
0．632
13．125
9．699
7．836
4．422
2．455
1_012
表3不同乙炔濃度時(shí)爆燃實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)超壓
Table 3 The measured overpressures ofdeflagration experiments at deferent ethyne concentration
濃度距離Ap／kPa
掣啦。島壅墾墮蘭望竺
5_3 O．7 1．502 1．439 1．260 1．400
O．9 1．485
1．1 1．095
1．5 1．069
2．7 0．236
157
1．342 1．240 1．356
1．079
0．966
0．220
1．017
1．008
0．205
1．064
1．014
0．220
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
7．8
10．4
11．5
12．5
12．9
13．3
3．5
O．7
O．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
0．7
0．9
1．1
1．5
2．7
3．5
O．7
0．9
1．1
1．5
2。7
3．5
0．7
O．9
1．1
1_5
2．7
3．5
0．7
O．156
2．574
1．984
1．436
1．502
0．521
O．321
2．773
2．52l
1．986
1．425
0．733
0．296
2．984
2．605
2．326
2．242
I．103
O．587
3．123
2．740
2．330
2．426
1．280
0．474
2．749
2．754
2．17l
2．002
0．971
0．346
3．342
158
0．154
2．236
1．95l
1．841
1．436
O．513
0．215
3．055
2．547
1．857
1．587
0．714
0．298
2．827
2．804
2．431
1．959
0．963
0．518
2．167
2．127
1．840
1．362
0．833
0．323
3．221
2．786
2．863
2．232
1．062
0．454
3．667
O．151
2．420
1．600
1．’748
1．817
0．439
0．259
1．087
1．141
1．372
1．251
0．296
0．210
3．096
2．928
2．520
1．991
1．208
0．550
2．713
2．448
2．002
1．991
1．303
0．537
3．089
2．472
2．387
2．105
1．437
0．784
2．967
O．154
2．410
1，845
1．675
1．585
0．49l
0．265
2．914
2．534
1．922
1．506
0．723
0．297
2．969
2．779
2．426
2．064
1．092
0．551
2．668
2．439
2．057
1．926
1，139
O．445
3．019
2．671
2．474
2．113
1．157
0．528
3．326
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
表4不同氣云半徑下爆燃實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)超壓
Table 4 The measured overpressures ofdeflagration experiments at deferent radius ofgas cloud
氣云半徑距離△p／kPa
。。婦。也莖竺堡．． !望墮
0．75 1．4 3．912 3．684 3．552 3．716
1．8
2．2
3
2 931
2．218
1．912
159
2．902
2．382
1．903
2．867
2．597
1．633
2．900
2．399
1．819
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
表5圓柱形可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)實(shí)鋇4超壓
Table6 The measured overpressllres ofdeflagration experiments ofcylinder gas cloud
￡0．5 0．6
rim 1．2 1．6 1．2 1．6
表6不同氣云半徑情況下爆燃超壓實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值
Table6 Calculational and experimental deflagration overpressure against radius ofgas cloud 0d'a)
r／Ro 1．4 1．8 2．2 3 5．4 7
O．75 實(shí)驗(yàn)值3．716 2．900 2．399 1．819 0．845 O．747
160
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
1
1．25
計(jì)算值
偏差M
實(shí)驗(yàn)值
計(jì)算值
偏差M
實(shí)驗(yàn)值
計(jì)算值
偏差M
3．827
1．0
4．528
4．530
O．O
6．418
6．654
1．3
2．946
O．8
1
3．937
4．239
3．7
5．854
5．969
1_O
2．501
2．1
2．81l
2．903
1．6
3．913
4．178
3．3
1．903
O．8
1．513
1．541
O．9
1．590
1．723
4．O
0．856
0．6
0．704
0．614
6．0
0．700
0．732
2．2
0．762
1．O
O．284
0．320
6．O
0．439
0．451
1．4
表7不同濃度下的爆燃超壓的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值
Table7 Calculationzl and experimental deflagrafion ove'z'pressure against concentration
濃度M 5．3 7．8 10．4 II．5 12．9 13．3 14．0 15．4 17．8
計(jì)算值／kPa 1．468 2．432 2．896 3．004 3．123 3．152 2．785 2．601 2．223
實(shí)驗(yàn)值／kPa 1．400 2．410 2．914 2．969 3．019 3．326 2．652 2．338 2．102
偏差M 2．4 0．5 0．3 0．6 1．7 2．7 2．5 5．3 2．8
表8薄膜厚度與層數(shù)對(duì)爆燃超壓影響的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值
Table8 Experimental data and numerical results ofdeflagrafion ovcrprcssurc
influencedbythickness andlayers offilm(kPa)
0．7 0．9 1．1 1．5 2．7 3．5
1# 實(shí)驗(yàn)值
rd=0．02mm
rd=O．04mm
fd=0．06mm
(d=O．02mm
計(jì)算值
偏差／％
實(shí)驗(yàn)值
計(jì)算值
偏差／％
實(shí)驗(yàn)值
計(jì)算值
偏差／％
實(shí)驗(yàn)值
計(jì)算值
偏差／％
實(shí)驗(yàn)值
2．410
2，341
1．5
2．986
2．854
2．3
3．642
3．401
3．4
4．477
4．472
0．6
8．59l
1．845
1．987
3．7
2．462
2．612
2．9
3．336
3．096
3．7
3．727
3．824
1．2
6．343
161
1．675
1．645
O．9
1．964
2．254
6．8
2．845
2．756
1．5
2．932
3．142
3．4
4．737
1．585
1．234
12．4
1．505
1．754
7．6
2．075
2．152
1．8
2．142
2．201
1-3
2．347
0．491
0．623
11．7
0．685
0．701
1．1
O．72l
0．847
8．O
0．967
0．985
0．9
1．345
0．265
0．321
9．6
0．342
0．354
1．7
0．302
0．401
14．1
0．412
O．512
10．8
0．632
奎壟翌三盔堂莖主蘭壘笙奎————
計(jì)算值8，102 6,021 4。632 2．621 1．203 0,741
偏差／％ 2．9 3．3 1．1 5．5 5．5 7．9
6# 實(shí)驗(yàn)值13．125 9．699 7．836 4．422 2．455 1,012
rd=0．02mm計(jì)算值
1l·865 8·521 7_054 4'765 2·23l lt231
、
偏差，％ 5．0 6．4 5．2 3．7 4．7 5．5
表9圓柱形氣云爆燃的超壓實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值(kPa)
Table 9 Experimental data andnumerical results ofdeflagration overpressure ofcylinder gas cloud
rim ￡O．1 0．2 0．3 0．4 0．5 0．6
實(shí)驗(yàn)值O．2734 O．4008 O．5951 0．7145 0．7122 0．7100
1．2 計(jì)算值o．3011 O．3921 O．5514 O．6927 O．6854 O．6822
誤差／％ 4．8 1．1 3．8 1．5 1．9 2．0
實(shí)驗(yàn)值O．2375 0．3756 O．5435 0．6327 0．6186 0．6266
1．6 計(jì)算值0．2401 0．3872 O．5121 0．5021 O．4562 0．4325
誤差胍0．5 1．5 2．9 11．5 15．1 18．3
162
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
附錄2半球形可燃?xì)庠票级S數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)
本文數(shù)學(xué)模型來(lái)源于文獻(xiàn)[92]所述的流體力學(xué)控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，它的推導(dǎo)過(guò)程
可參見(jiàn)該文獻(xiàn)。這里僅敘述由該標(biāo)準(zhǔn)形式到本文數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化過(guò)程。
(1)連續(xù)性方程的簡(jiǎn)化
連續(xù)性方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為： 望+志[掣下a(puersinS)at sin +掣]_o (1)
r2 曰。aP a療艦。、’
本文數(shù)學(xué)模型為二維形式，即
笪：0
齜
因此，本文連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為：
竺+—L!坦：：!塑蟲(chóng)+—1_!也!：墅生：o
af ，2 sin口ar ，2 sin口a占
(2)動(dòng)量方程的簡(jiǎn)化。
r方向動(dòng)量方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為： 戶(+下魯a(P怛eTs等inO)++掣等一等r咖口+(志p卯告+p。一)】華]_p‰+志c掣 a目艦”?”
忽略重力的影響，則
pE，=0
然后根據(jù)式(2)，變成二維形式，則式(4)變成： P(魯q等+等等一爿=志c掣+掣?in口蹦
(4)
大堡里三查蘭苧主蘭垡壘蘭—一(5)
其中： 臚訓(xùn)2饞二一南c學(xué)+學(xué))]
m嘞=∥B等十警一爿
臚訓(xùn)z盧島+等一上3r2 sinO
c —O—(．p——u—,—r—2—．s—m—．．O—)．+。O—(．p．—u—e—r．—s—i—a——O——)
ar a曰
(6)
同理：推導(dǎo)出日方向動(dòng)量方程為： pf等蝎警+等等+㈢=志c掣+掣?in‰，c7，
(3)能量方程的簡(jiǎn)化
能量方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為：
pf警q警+了u8麗OH十五u證2目O融H)，=丟品去(r2 sinOk罟r)
+品(sin船囂)+瓦O I(麗k瓦OT'j】+、PQ+老+9
上式變?yōu)槎S形式為：
r掰OH．％OH 1
Pl百+Ur石+亨面j
因此
志c*s舭罰
+芻(m目t等]]+加+去+妒
(8)
(9)
由于可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，超壓很低(kPa量級(jí))，氣體膨脹作功可以忽略不計(jì)
塑：o
出
(10)
式(9)中包括系統(tǒng)外的傳熱Q與源項(xiàng)妒，在可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，這兩項(xiàng)相加等
164
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
于氣云爆燃過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量，即
pQ+q,=如可
同時(shí)，有
翌：C。一OT； at p 0t。iOH=Cp c。3T，一； 一aH：r塑a曰。’a目
把式(10)～式(12)代入到式(9)中，得到：
(11)
(12)
pc飛(o西r叫石aT}u，e aOT目，''I=忑≥雖(r,siook等)+品(sin臼尼囂]，+％g ct，，
(4)組分方程的簡(jiǎn)化
組分方程的標(biāo)準(zhǔn)形式來(lái)自文獻(xiàn)[81]，其形式為
尸(詈q警+了uo歷OY+』rsinLO叢a&amp;amp;j]；再b唔(^in∞警)
+旦(s誼∞堡]+擊(旦sinOao oo sin0籌)]+妒＼ ／規(guī)L 覷／。+
本文求解的組分方程，求解對(duì)象為可燃?xì)鉂舛龋?，并上把?jiǎn)化成二維形式
(14)
P(魯蚺警}u，o 0馴t'^1=而1 c導(dǎo)㈠in∞警]+品(sin目。等)№∞，
可燃?xì)庠票歼^(guò)程中，上式的源項(xiàng)妒等于單位時(shí)間、單位體積可燃?xì)獾南牧浚?
等于燃燒速率Rfu，因此，式(15)的最終形式為：
p(警q警+塑r盟ao])=志雖(，2sin口。警]+芻(s惱口。等]，+‰㈣，
165
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
附錄3半球條柵形障礙物正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
(I)A1BlCl：R=0．50m，，=o．10m，b=15mm,bo=15ram，廬=0．5，C=13．3％
(2)AIBlC2：R=0．50m,r=O．10m，b=15mm,b0230mm，廬20．67，C‘13，3％
(3)A181C3：R=-0．50re,r=0．10Ⅱ1，b=15mm,bo=45mm,曲=o．75，C‘13．3％
(4)A182CI：R=0．50re,r=0．10n'h b=30mm，bo=15n'ma,咖=0．34，c=13．3％
d(rrl) 實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值平均值
O．7
0．9
1．t
1．5
4．270
3．950
3．578
3．009
166
4．169
3．836
3．486
2．827
4．220
3．893
3．532
2．918
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
2．7
3．5
1．658
0．688
1．477
0．690
1．568
n689
(5)A182C2：R=0．50re,r=0．10m,b=30mm，bo=30mm,西卸．5，6"=13．3％
(6)A182C3：R=-0．50m，r=O．10m，b=30mm,bo--=45mm，曲卸．6，C=13．3％
d㈤實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值平均值
(7)AIB3CI：R--0．50m,,E0．10m,b=45mm，bo=15mm,廬卸．25，C‘13．3％
(8)A183C2：R=0．50re,r=0．10m,b=45mm，bo=30mm,垂=o．4，C=-13．3％
d㈤實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值平均值
0．7
o．9
1_1
1．5
4．082
3．654
3．541
2．512
167
4．172
3．826
3．356
2．556
4．127
3．740
3．449
2．534
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
2．7
3．5
1．462
0．585
1．492
0．579
1．477
O．582
(9)A183C3：R=0．50re,r=0．10m,b=45mm,bo=45mm,咖=0．5，C=13．3％
(10)A281C1：R=0．50re,r=0．ZOrn,6=15mm,bo=15mm,曲=0．5．C=13．3％
(11)A281C2：R=o．50re,r-'--0．20m，6=15mm，bo=30mm,曲=0．67，6'=13．3％
(12)A2BIC3：R=0．50m，F(xiàn)0．20m,6=15mm,bo=45mm,廬=0．75，C=13．3％
∞n) 實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值實(shí)驗(yàn)3值平均值
o．7
0．9
1．1
1．5
4．839
3．987
2．938
2．069
168
5．801
4．460
3．704
2．951
5．923
4．836
3．568
2．885
5．521
4．428
3．403
2．635
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
2．7
3．5
1．328
0．644
2．065
0．968
1．996
O．93l
1．796
0．848
(13)A282Ch R=0．50re,r--0．20m,b=30mm,bo=15tuna,廬=o．34，c=13．3％
(14)A282C2：R=0．50m，F(xiàn)o．20m,b=30nma,bo=30mm,廬=0．5，cq3．3％
(15)A282C3：R=0．50m,r-=0．20m,b=30mm,bo=45mm,曲=0，6．C‘13．3％
f16)A283Cl：R=0．50re,r=0．20m，b=45rrma,bo=15mm，西卸．25，C墾13．3％
砸m) 實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值實(shí)驗(yàn)3值平均值
0．7 19．33 1 19．828 18．006 19．055
0．9 18．826 17．530 16．976 17．777
1．1 11．465 11．139 10．207 10．937
1．5 9．675 9．672 9．012 9．453
169
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
2．7
3．5
3．862
3．346
2．939
2．089
3．479
2．198
3．426
2．544
(17)A283C2：j仁0．50m,r=0．20m,b=,C5mm,bo=30mm,曲；O．4．C‘13，3％
(18)A283C3：R=0．50m，r=O．20m,b=45mm,bo=45nma,廬=O．5，c‘13．3％
(19)A3BICI：R=0．50m,r=0．30m,b=15mm,bo=15mm,西=0．5．c：=13．3％
(20)A3BIC2：R=0．50m'滓0．30m,b=15mm,bo=30mm,廬=0．67，c‘13．3％
d㈦
．7
．9
．1
，5
實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值平均值
33．894
29．011
13．584
10．926
170
34．326
29．820
16．063
8．486
34．110
29．416
14．824
9．706
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
2．7
3．5
4．958
3．564
5，495
3．855
5．226
3．710
(21)A3BIC3：R=0．50m，F(xiàn)O．30m,6=15ram，bo=45rnm，毋=0．75，C=13．3％
(22)A382C1：R=0．50m,r=0．30m，b=30rnm，bo=15ram，廬=o-34，c‘13．3％
(23)A382C2：R=0．50m，F(xiàn)O．30m，6=30mm，bo=30mm，廬=0．5，6'=13．3％
(24)A382C3：R=0．50m，F(xiàn)0．30m，b=30mm，bo=45mm,曲20．6，c‘13．3％
a(ra) 實(shí)驗(yàn)1值實(shí)驗(yàn)2值平均值
0
O
l
1
7
9
1
5
31．988
20．585
13．548
8．587
17l
33．465
22_817
14．537
8，530
32．727
2L701
14．042
8．559
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
2．7
3．5
6．018
3．024
6．475
4．569
6．246
3．797
(25)A383C1：R=-0，50m,r=0．30m,-b=45ma'n,bo=15mm,曲=0．25，C=13．3％
(26)A383C2：R=O．50m，F(xiàn)0．30m,b=45mm，bo=30mm,4'---0．4，C=13．3％
(27)A383C3：．R--0．50m，r=O．30m，b=45mm，bo=45mm，曲=O．5，C=13．3％
172
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
附錄4半球條柵形障礙物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
障礙物參數(shù)距離Ap沁a)
綰呈墨! ! 竺!d曲、． 塞竺堡!塑堡
0．7 4．105 4．306 4．206
01 500 100
02 500 100
03 500 i00
94 500 100 30
500 100 30
0．9 3．669 4．067
15 0．5
1．1 3·28l 3．680
1．5 2．411 2．68l
2．7 1．487 l_609
3．5 0．529 0．718
0．7 3．799 3．971
0．9 3．200 3．793
30 0．67
1．1 3．456 3．274
1．5 2．544 2．251
2．7 1．389 1．285
3．5 0．565 0．486
O．7 3，020 3．633
0．9 2．980 3．038
45 O．75
1·1 2．875 3·167
1．5 2．215 2．178
2．7 1．179 1．226
3．5 0．568 0．384
0．7 4．270 4．169
0．9 3，950 3．836
15 0．34
1·1 3·578 3．486
1．5 3．009 2．827
2．7 1f658 1．477
3．5 0．688 0．690
30 0．5 0．7 4．080 4．178
0．9 3．886 3．767
1．1 3．613 3．425
1．5 2．417 2．642
173
3．868
3．48l
2．546
1．548
0．624
3．885
3．497
3．365
2．398
1．337
0．526
3．327
3．009
3．021
2．197
1．203
0．476
4．220
3．893
3．532
2．918
l_568
0．689
4．065 4．108
3．11l 3．588
3．222 3．420
2．476 2．512
查壟望三查蘭墮主堂垡絲莖
06 500 100 30 45 0．6
07 500 100 45 15 0，25
08 500 100 45 30 0．4
09 500 100 45 45 0．5
500 100 60 30 0．34
174
2．7 1．473 1．567 1．307 1．449
3．5 0．876 0．443 0．369 0．563
0．7 3．945 3．985 3．965
0．9 3．641 3．513 3．577
1，1 3．301 3．403 3．352
1．5 2．404 2．604 2．504
2．7 1．346 1．276 1．311
3．5 0．589 0．343 0．466
O．7 4．282 4．172 4．227
0．9 3．867 3．989 3．928
1．1 3，527 3．592 3．560
1．5 3．260 3．296 3．278
2．7 1．760 1．539 1．650
3．5 0．782 0．797 0．790
0．7 4．082 4．172 4．127
0．9 3．654 3．826 3．740
1．1 3．541 3．356 3．449
1．5 2．512 2．556 2．534
2．7 1．462 1．492 1．477
3．5 0．585 0．579 0．582
O．7 3．874 4．335 4．105
0．9 3．199 3．973 3．586
1．1 2．982 3．652 3．317
1．5 2．340 2．532 2．436
2．7 1．321 1．350 1．336
3．5 0．494 0．453 0．474
0．7 4．095 4．759 4．427
0．9 3．466 4．140 3．803
1．1 2．960 3．523 3．242
1．5 2．630 2．878 2．754
2．7 L280 1．584 1．432
3．5 0．833 0．614 0．724
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
11 500 200 15 15 0．5
500 200 15 30 0．67
500 200 15 45 0．75
14 500 200 30 15 0．34
500 200 30 30 0．5
500 200 30 45 0．6
175
O．7 18．157
O．9 15．309
1．1 8．627
1．5 7．255
2．7 3．654
3．5 2．158
0．7 7．010
O．9 6．66l
1．1 4．907
1．5 4．372
2．7 3．126
3．5 1．939
O．7 4．839
0．9 3．987
1．1 2．938
1．5 2．069
2．7 1．328
3．5 0．644
O．7 12．548
O．9 9．210
1．1 6．640
1．5 5．681
2．7 2．995
3．5 1．928
0．7 11．069
0．9 9．703
1．1 4．751
1．5 4．150
2．7 2．184
3．5 1．382
O．7 4．378
O．9 3．788
19．703 16．262 18．041
14．280 11．520 13．703
10．503 8．585 9．238
6．879 5．397 6．510
3．487 2．817 3．319
2．623 I．460 2．080
7．827 8．549 7．795
5．629 7．611 6．634
4．134 6．253 5．098
3．454 5．995 4．607
2．309 4．163 3．199
2．138 2．746 2．274
5．801 5．923 5．521
4。460 4．836 4．428
3．704 3．568 3．403
2．951 2．885 2．635
2．065 1．996 1．796
0．968 0．93 l 0．848
14．599 13．202 13．450
12．741 11．283 11．078
8．533 7．496 7．556
5．527 4．535 5．248
3．912 2．966 3．291
2．505 2．588 2．340
8．253 10．596 9．973
6．979 8．106 8．263
4．075 4．738 4．521
3．002 3．324 3．492
1．773 l-854 1．937
1．308 1．552 1．414
5．504 6．039 5．307
4．282 4．842 4．304
查壟望三查蘭墮圭堂垡堡奎
500 200 30 60 0．67
250 200 15 15 0，5
250 200 15 30 0．67
20 500 200 45 15 0．25
500 200 45 30 0．4
176
1．1 2．719
1．5 1．808
2．7 1．491
3．5 O．819
0．7 5．100
0．9 4．130
1．1 2．819
1．5 2．483
2．7 1．348
3．5 0．761
O．35 7，078
0．45 6．643
0．55 5．240
0．75 4．766
1．35 1．675
I．75 1．241
O．35 5．578
0．45 4．865
0．55 3．904
0．75 3．586
1．35 0．956
1．75 0．232
O．7 19．33l
O．9 18．826
1．1 11．465
1．5 9．675
2．7 3．862
3．5 3．346
O．7 7．254
0．9 6．957
1．1 4．537
1．5 2．947
3．094
2．608
1．308
0．81l
4．816
3．586
2．791
2．380
1．212
0 705
8．884
7．430
6．958
4．690
2．800
2．006
6．245
5．327
4．310
3．419
1．123
0．209
19．828
17．530
1I．139
9．672
2．939
2．089
6．531
6．419
3．040
2．874
3．356
3．297
1．493
0．862
4．763
3．845
2．818
2．337
1．265
0．776
9．713
9．754
8．327
6，457
3．191
2．232
18．006
16．976
10．207
9．012
3．479
2．198
8．060
6．976
4．041
3．07l
3．056
2．571
1．431
O．831
4．893
3．854
2．809
2．400
1．275
0．747
8．558
7．942
6．842
5．304
2．555
1．826
5．912
5．096
4．107
3．503
1．039
O．221
19．055
17．777
10．937
9．453
3．427
2．544
7．282
6．784
3．873
2．964
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
22 500 200 45 45 0．5
23 750 200 0．5
24 500 200 60 15 0．20
25 500 200 60 30 0．34
26 500 200 60 45 O．43
177
2．7 1．860
3，5 1．201
0．7 5-341
0．9 4．659
1．1 3．314
1．5 3．229
2．7 1．466
3．5 0．882
1．05 10．545
1．35 8．194
1．65 6．464
2．25 4．503
4．05 2．625
5．25 2．613
O．7 20．224
O．9 19．137
1．1 12．179
1．5 9．722
2．7 3．543
3．5 3．216
O．7 14．268
O．9 13．375
1．1 6．138
1．5 5．092
2．7 2．483
3．5 1．878
0．7 7．095
0．9 4．468
1．1 2．972
1．5 2，274
2．7 1．566
3．5 0．768
1．836
1．094
7．292
5．185
3．760
Z907
1．495
1．029
14．284
10_372
7．768
4．724
2．746
1．753
20．590
18．245
10．536
9．736
3．392
3．545
10．593
10．551
5．554
4．420
2．075
1．682
5．216
3．536
2．491
2．343
l‘22l
0．568
2．147 1．948
1．292 1．196
5．873 6．169
4．442 4．762
3．221 3．432
3．464 3．200
1．622 1．528
0．834 0．915
11．547 12．415
8．848 9．283
6．745 7．116
4．835 4．613
2．777 2．686
2．701 2．183
20．478 20．431
18．943 18．775
11．313 11．343
9．480 9．646
3．928 3．621
3．049 3．270
13．992 12．951
10．779 11．568
8．900 6．864
5．358 4．957
2．297 2．285
2．088 1．883
5．944 6．085
4．296 4．100
3．143 2．869
2．427 2．348
1．287 1．358
0．791 0．709
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
27 500 200 60 60
28 500 250
29 500 250 15 30
30 500 250 15
500 250 30
32 500 250 30 30
O．7 4．816 4．646 4．138 4．533
0．9 3．423 4．210 3．333 3．655
0．50
1．1 2．426 2．996 2·644 2·689
1．5 1．692 2．867 2．305 2．288
2．7 1．350 1．473 1．126 1．316
3．5 0．505 0．803 0．558 0．622
0．7 3I-313 34．160 32．737
0．9 23．126 25．468 24．297
0．50
1．1 13-153 11．458 12_306
1．5 9．707 9．706 9．707
2．7 9．802 8．401 9．102
3．5 3．344 3．964 3．654
0．7 14．204 15．640 14．922
0．9 9．254 10．078 9．666
0．67
1·1 7·241 8·701 7·971
1．5 4．302 3．803 4．053
2．7 2．955 2．032 2．494
3．5 2．554 1．512 2．033
0．7 7．392 7．035 7．214
0．9 7．179 6．716 6．948
0．75
l·1 7．104 3．043 5·074
1．5 4．376 2．849 3．613
2．7 3．555 2．365 2．960
3．5 1．739 1．823 1．781
0．7 29，686 30．140 29．913
0．9 25．417 25．250 25．334
O．34
ltl 21·620 16·992 19·306
1，5 11．118 11．417 11．268
2．7 9．471 8．434 8．953
3．5 3．376 3．378 3．377
0．50 0．7 19．517 18，787 20．162 19．489
0．9 16．745 15．174 i7．965 16．628
178
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
33 500 250 30 45 0．60
34 500 250 O．25
500 250 45 30 0．40
36 500 250 30 30 0．50
37 500 250 60 30 0．34
179
l_1 10．733
1．5 6．173
2．7 3．693
3．5 3．120
0．7 10．487
O．9 9．378
1．1 6_304
1．5 3．083
2．7 2．370
3．5 1．446
0．7 35．653
0．9 23．228
1．1 15．575
1．5 10．798
2．7 7．390
3．5 6．411
O．7 31．099
0．9 23．082
1．1 11．690
1．5 9．221
2．7 8．647
3．5 3．471
O．7 9．314
0．9 8．861
1．1 4．859
1．5 3．585
2．7 2．237
3．5 1．705
O．7 29．259
O．9 25．981
1．1 14．583
1．5 9．894
9．165 10．134 10．011
6．779 7．248 6．733
3．443 3．805 3．647
3．075 3．774 3．323
6．622 8．555
6．584 7．98l
4．103 5．204
2．850 2．967
1．548 1．959
1．348 1．397
33．551 34．602
27．879 25．554
16．438 16．006
11．663 11-231
11．852 9．621
6．314 6．363
25．105 28．102
24，873 23．978
17．181 14．436
10．198 9．710
1．871 5．259
6．112 4．792
8．973 9．144
7．763 8．312
4．892 4．876
3．535 3．560
2．335 2．286
1．476 1．591
28．057 28．658
26．382 26．182
10．232 12．408
8．481 9．188
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
38 500 300 O．5
39 500 300 15 30 0．67
40 500 300 15 45 0．75
41 500 300 30 15
42 500 300 30 30
0．34
O．50
180
2．7 5．987 6．552 6．270
3．5 3．859 4．901 4．380
0．7 35．506 35．519 35．513
0．9 32．949 31．499 32．224
1．1 30．215 29．017 29．616
1．5 12．403 11．306 11．855
2．7 9．933 9．756 9．845
3．5 9．080 8．695 8．888
0．7 33．894 34．326 34．110
0．9 29．011 29．820 29．416
1．1 13．584 16．063 14．824
1．5 10．926 8．486 9．706
2．7 4．958 5．495 5．227
3．5 3．564 3．855 3．710
0．7 13．224 14．272 13．748
0．9 11．214 13．428 12．321
1．1 6．622 6．464 6．543
1．5 4．428 5．419 4．924
2．7 2．869 3．956 3．412
3．5 2．711 2．898 2．805
0．7 36．221 34．764 35．493
0．9 35．055 33．193 34．124
1．1 27．542 24．582 26．062
1．5 17．025 16．045 16．535
2．7 10．011 9．880 9．946
3．5 9．872 9．478 9．675
0．7 34．133 34．141 34．905 34．393
0．9 29．380 34．038 25．963 29．794
1．1 16．932 19．516 22．412 19．620
1．5 9．691 9．694 9．697 9．694
2．7 9．552 6．141 7．688 7．794
3．5 6．659 6．654 5．709 6．341
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
43 500 300 30 45 0．60
44 500 300 45 15 0．25
45 500 300 45 30 0．40
46 500 300 45 45 0．50
47 500 300 60 30 0．34
48 750 200 15 30 O．67
18l
O．7 31‘988
O．9 20．585
1．1 13．548
1．5 8．587
2．7 6．018
3．5 3．024
O．7 39．241
0．9 36．926
1．1 34．897
1．5 17．081
2．7 9．255
3．5 9．521
0．7 34．980
0．9 28．560
1．1 18．987
1．5 8．889
2．7 7．02l
3．5 4．258
0．7 33．125
0．9 28．116
1．1 17．914
1．5 9．719
2．7 7．009
3．5 4．350
0．7 36．010
O．9 35．022
1．1 23．958
1．5 11．302
2．7 10．059
3．5 9．680
1’05 6．115
1．35 5．856
33．465
22．817
14．537
8．530
6．475
4．569
37．406
34．035
33．362
15．874
10．162
9．872
33．247
34．961
16．598
10．530
9．539
7．282
29．155
30．956
15．494
8．719
6．855
5．863
34．892
33．187
23．651
8．712
9．360
9．698
5．851
5．437
32．727
21．701
14．043
8．559
6．247
3．797
38．324
35．481
34．130
16．478
9．709
9．697
34．114
31．761
17．793
9．710
8．280
5．770
31．140
29．536
16．704
9．219
6．932
5．107
35．45l
34．105
23．804
10．007
9．709
9．689
5．983 6．115
5．647 5．856
大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
49 1000 200
50 1000 200
1250 200
52 1250 200
53 500 200 30
O．5
30 0．67
15 O．5
30 0．67
75 O．72
182
1．65 4．79l 3．661 4．226 4．791
2．25 3．260 3．100 3．180 3．260
4．05 2，367 2．018 2．192 2．367
5．25 1．859 1．741 1．800 1．859
1．40 9．852 10．085 8．462 9．466
1．80 7．124 7．708 6．887 7．240
2．20 5．749 6．097 5．841 5．896
3．00 4．024 3．843 3．191 3．686
5．40 2．423 2．290 2．308 2．340
7．00 1．646 2．190 2．154 1．997
1_40 4 888 5．125 5．007
1．80 3．988 4．896 4．442
2．20 3．776 2．713 3．245
3．00 2．404 2．251 2．328
5．40 1．663 1．856 1．759
7．00 1．542 1．280 1．411
1．75 8．447 7．587 8．017
2．25 7．137 6．474 6，805
2．75 5．230 4．921 5．076
3．75 2．92l 3．525 3．223
6．75 2．107 2．288 2．198
8．75 1．512 1．886 1．699
1．75 6．906 7．054 6．980
2．25 6．344 6．025 6．184
2．75 5．763 5．53 1 5．647
3．75 l_788 2．805 2．297
6．75 1．400 1．741 1．571
8．75 0．952 1．533 I．242
0，7 3．730 4．514 3．282 3．842
0．9 3．751 3．667 2．983 3．467
1．1 3．295 2．520 2．099 2．638
1．5 2．627 2．428 1．895 2．317
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
54 500 200 30 90 0．75
500 200 45 90 0．67
56 500 500 15 45 0．75
57 500 500 30 30 0．50
58 500 700 15 45 0．75
183
2．7 l-402
3．5 0．566
O．7 4．000
0．9 3．238
1．1 2．678
1．5 l-428
2．7 1．054
3．5 O．633
O．7 3．601
0．9 3．530
1．1 2．183
1．5 I．410
2．7 1．000
3．5 0．809
0．7 9．767
O．9 7．010
1．1 4．404
1．5 3．078
2．7 1．381
3．5 0．935
O．7 9．504
0．9 9．126
1．1 4．195
1．5 3．997
2．7 1．633
3．5 1_110
O．7 5．607
O．9 6．005
1．1 5．515
1．5 3．745
2．7 2．205
3．5 0．557
1．296
0．663
3．432
3．183
2．118
0．887
0．723
0．427
4．013
3．650
2．441
1．369
O．951
0．691
8．648
7．585
7．125
3．614
1．516
0．748
11．193
9．537
5．900
3．924
2．335
1．936
3．944
5．401
5．035
2．595
1．720
0．878
0．866
0．569
14．288
9．065
5．114
3．226
1．498
1．248
1．188
0．599
3．716
3．211
2．398
1．158
0．888
0．530
3．807
3．590
2．312
1．390
0．976
0．750
9．208
7．298
5．765
3．346
1．448
0．842
11．662
9．242
5．069
3．716
1．822
1．431
4．776
5．703
5．275
3．170
1．963
O．717
盔壟里三查堂苧主堂垡絲壅
59 500 700 30 30 0．50
60 500 900 15 45 0．75
500 900 30 30 0．50
62 250 0 0 100
63 500 0 0 100
64 750 0 0 100
184
0．7 4．913
O．9 9．185
1．1 5．898
1．5 2．797
2．7 2．253
3．5 1．858
0．7 3．644
0．9 4．613
1．1 8．008
1．5 3．783
2．7 0．500
3．5 0．359
0．7 2．057
0．9 2．228
1．1 4．164
1．5 1．721
2．7 0．818
3．5 0．289
O．35 3．365
0．45 2．287
0．55 1．277
0．75 0．637
1．35 0．421
1．75 0．261
O．7 3．342
0．9 2．934
1．1 2．215
1．5 2．011
2．7 0．869
3．5 0．378
1．05 3．684
1_35 2．902
4．286
7．114
5．689
2．440
1．920
l-577
3．069
5．582
5．861
1．164
0．685
0．361
2．327
2．480
3．946
1．949
O．840
0．319
2．540
1．205
I．195
O．521
0．346
0．255
3．667
3．431
2．988
2．570
1．513
0．524
3．552
2．867
4．599
8．149
5．794
2．619
2．086
1．718
3，357
5．097
6．934
2．474
0．593
0．360
3．436 2．606
3．311 2．673
5．236 4．448
1．605 1．758
0．943 0．867
0．400 0．336
2．577 2．827
2．218 1．903
1．803 1．425
1．552 0．904
0．660 0．476
0．573 0．363
2．967 3．326
2．589 2．985
2．467 2．557
1．995 2．192
1．107 1．163
0．493 0．465
3．912 3．716
2．931 2．900
塑翌整箜塞墨竺!旦塑墨墨堡塑塑壅里塞
65 1000 0
66 1250
1．65 2．382 2．597 2．218 2．399
2．25 1．903 1．633 1．912 1．819
4．05 0．85 l 0．822 0．862 0．845
5．25 0．741 0．749 0．751 0．747
1．40 4．294 4．503 4．787 4．528
1．80 3．848 3．996 3．967 3．937
O 100
2．20 2．912 2·901 2·620 2·811
3．00 1．602 1．483 1．454 1．513
5．40 0．71 l 0．721 0．680 0．704
7．oo 0．280 0．271 0．301 0．284
1．75 6．402 6．438 6．414 6．418
2．25 5．712 5．738 6．112 5．854
0 O 100
2·75 3-901 3～．86 3·952 3·913
3．75 1．572 1．593 1．605 1．590
6．75 0．711 0．703 0．686 0．700
8．75 0．428 0．431 0．458 0．439 ——1。-———‘-“。·—‘?！?—’‘?！?1一注：62"-66#實(shí)驗(yàn)為無(wú)障礙物實(shí)驗(yàn)
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大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
致謝
本文是在丁信偉教授悉心指導(dǎo)下完成的。從論文選題、研究方案設(shè)計(jì)到論文寫(xiě)作，
都凝聚著他的大量心血。他的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、一絲不茍的工作作風(fēng)，勇于創(chuàng)新的精神，給
我樹(shù)立了榜樣，將對(duì)我的一生工作、學(xué)習(xí)具有深遠(yuǎn)的影響。在此，我向?qū)熤乱宰畛?
高的敬意和深深的感謝!
本文研究工作隸屬于畢明樹(shù)教授所承擔(dān)的國(guó)家自然基金項(xiàng)目，是在他的直接指導(dǎo)
下完成的。在此感謝他對(duì)我科研能力的嚴(yán)格培養(yǎng)，以及對(duì)我生活上的關(guān)切關(guān)懷。
感謝李生娟，邵衛(wèi)，叢立新等同學(xué)對(duì)我論文實(shí)驗(yàn)中的大力支持。感謝高光蕃、陳
彥澤、宋占兵等師兄弟們，與他們間的學(xué)術(shù)討論使我受益菲淺，生活上的關(guān)心也使我
感覺(jué)到了集體的溫暖。
感謝大連理工大學(xué)化工過(guò)程與裝各教研室的全體老師。在論文研究工作中，得到
了所有老師的大力幫助與支持。
感謝我的愛(ài)人、父母及家人，他們的支持是我克服困難，完成學(xué)業(yè)的重要的精神
支柱。
最后，再次向所有關(guān)心、支持、幫助我的人們表達(dá)我衷心的感激之情!
楊國(guó)剛
二OO五年四月于大連
軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的相關(guān)論文
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大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文
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軸對(duì)稱約束條件下可燃?xì)庠票紡?qiáng)度研究
作者： 楊國(guó)剛
學(xué)位授予單位： 大連理工大學(xué)
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相似文獻(xiàn)(10條)
1.期刊論文楊國(guó)剛.岳丹婷.畢明樹(shù).YANG Guogang.YUE Danting.BI Mingshu 圓柱形可燃?xì)庠票▽?shí)驗(yàn)研究與數(shù)值
模擬-化工學(xué)報(bào)2008,59(11)
與半球形可燃?xì)庠颇Ｐ拖啾?圓柱形模型更接近于氣云爆炸事故的實(shí)際情況.進(jìn)行了乙炔濃度7.75%、氣云體積0.26m3的圓柱形可燃?xì)庠票▽?shí)驗(yàn),記
錄了距氣云中心1.2 m與1.6 m兩點(diǎn)的爆炸超壓.建立了描述氣云爆炸的理論模型,采用SIMPLE算法編制了計(jì)算程序.計(jì)算結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考核,最大與平均
相對(duì)偏差分別為18.3%與5.4%,證實(shí)程序滿足氣云爆炸模擬與預(yù)測(cè)的要求.研究結(jié)果顯示:爆炸流場(chǎng)不具備球形對(duì)稱的性質(zhì),爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑シ较蛴嘘P(guān)
,當(dāng)氣云高徑比0.2時(shí),沿地面方向的最大超壓可達(dá)垂直方向的3.3倍;氣云體積不變而形狀變化時(shí),爆炸強(qiáng)度隨著高徑比的增大而增大,高徑比1.0時(shí)的最大
超壓可達(dá)高徑比0.1時(shí)的3.1倍;氣云高徑比降低時(shí),火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增大,燃燒時(shí)間增長(zhǎng),氣云釋能速率下降,因此爆炸超壓降低.研究結(jié)果對(duì)可燃?xì)庠票?zāi)
害的預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義.
2.期刊論文楊國(guó)剛.薛東嶺開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票ǖ臄?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究 -化學(xué)工程師2004,18(7)
基于改進(jìn)的Bakke-Hjertager燃燒模型與相應(yīng)的控制方程,建立了描述可燃?xì)庠票ǖ睦碚撃Ｐ?采用SIMPLE算法,對(duì)氣云爆炸場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.以
0.02mm厚度的聚乙烯薄膜為約束物,進(jìn)行了半球形乙炔/空氣預(yù)混氣云爆炸實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)分別在0.5、0.75、1、1.25m4個(gè)氣云半徑下進(jìn)行,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄
了超壓分布.計(jì)算超壓與實(shí)驗(yàn)值相比較,最大偏差為11.9%,平均偏差為4.14%.結(jié)果表明,本文方法可以用來(lái)預(yù)測(cè)可燃?xì)庠票◤?qiáng)度.
3.學(xué)位論文邵華鑫 可燃?xì)庠票▔毫?chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 2005
本文以乙炔-空氣混合氣為介質(zhì),對(duì)內(nèi)置半球球帶形障礙物對(duì)爆炸壓力場(chǎng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.主要工作和結(jié)論如下:(1)設(shè)計(jì)了有壓力變送器、數(shù)據(jù)
采集卡和計(jì)算機(jī)組成的開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票▓?chǎng)的測(cè)試系統(tǒng),采用電火花點(diǎn)火,建立了可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)系統(tǒng).(2)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和方差分析,確定了半球球
帶形障礙物的兩個(gè)特性參數(shù):半徑r和屏蔽角α,它們對(duì)爆炸超壓都有顯著影響,而它們的交互作用對(duì)超壓的影響不顯著.(3)針對(duì)障礙物的每個(gè)特性因素對(duì)
超壓的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),確定了各影響因素對(duì)爆炸超壓的作用規(guī)律.超壓隨氣云半徑R和障礙物半徑r、屏蔽角α的增大而增大,隨測(cè)點(diǎn)距離d和空隙率φ的
增大而減小.(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合回歸分析,得到爆炸超壓△p與障礙物特性參數(shù)(r,φ)及氣云半徑R和測(cè)點(diǎn)距離d之間的擬合方程,從擬合方程中得出
的超壓與影響因素間的關(guān)系與每個(gè)特性因素對(duì)超壓影響的實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致.并通過(guò)無(wú)量綱分析和方差檢驗(yàn),驗(yàn)證了擬合方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性.(5)引入
多能模型思想,綜合考慮邊界條件、混合物性質(zhì)和尺度比例因子,提出了約束條件參數(shù)組合方式,得到了內(nèi)置半球球帶形障礙物的開(kāi)敞空間可燃?xì)庠频谋?
超壓關(guān)系式.為可燃?xì)庠票▓?chǎng)的預(yù)測(cè)提供了依據(jù).
4.期刊論文楊國(guó)剛.WU Gui-tao.畢明樹(shù).DING Xin-wei.YANG Guo-gang.WU Gui-tao.BI Ming-shu.DING Xin-wei
非均勻分布可燃?xì)庠票ㄍΨ治?-石油學(xué)報(bào)（石油加工）2008,24(4)
以高斯分布?xì)庠茷槔?研究了非均勻分布町燃?xì)庠票ǖ耐εc機(jī)理,并與相同泄漏量的均勻分布可燃?xì)庠票ㄟM(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明,當(dāng)高斯分
布町燃?xì)庠票〞r(shí),由于其可燃?xì)怏w濃度偏離最危險(xiǎn)濃度,燃燒速率降低,火焰維持不了自加速運(yùn)動(dòng).對(duì)火焰陣面前的氣體擾動(dòng)較小.不會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊波
.泄漏量為2228.2 m3的乙炔形成的2種高斯分布?xì)庠票〞r(shí),最高超壓分別為4.3、1.8 kPa,最多具有使玻璃窗破碎的破壞能力.當(dāng)同樣泄漏量的乙炔形成
半徑20 m、乙炔體積分?jǐn)?shù)為13.3%的均勻分布?xì)庠票〞r(shí),町產(chǎn)牛42.3 kPa的最大超壓,具有使磚墻倒塌的破壞能力.因此,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏時(shí)
,首要任務(wù)是避免泄漏氣體形成混合良好的均勻可燃?xì)庠?
5.期刊論文王淑蘭.嚴(yán)清華.李岳.周崇密閉空間內(nèi)局部可燃?xì)庠票ǖ臄?shù)值模擬 -石油與天然氣化工2004,33(3)
從流體力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程出發(fā),建立了描述密閉空間內(nèi)局部可燃?xì)庠票ㄟ^(guò)程的數(shù)學(xué)模型.應(yīng)用SIMPLE算法進(jìn)行求解,得到了密閉空間內(nèi)局部
可燃?xì)庠埔痪S爆炸場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程,計(jì)算結(jié)果符合物理現(xiàn)象和規(guī)律,說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型和數(shù)值算法較為合理,計(jì)算結(jié)論對(duì)工程設(shè)計(jì)有參考價(jià)值.
6.會(huì)議論文陳文瑛 可燃?xì)庠票ㄑ芯窟M(jìn)展 2008
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，以及一些新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)的出現(xiàn)，使可燃?xì)庠票紴?zāi)害的潛在可能性增加，事故的危害程度進(jìn)一步增大。
因此，研究可燃?xì)庠票嫉某蔀?zāi)機(jī)理，提出防災(zāi)減災(zāi)措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。闡述了現(xiàn)階段可燃?xì)庠票ǖ膶?shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)方法和理論研究情況。評(píng)價(jià)
了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性和局限性。
7.學(xué)位論文邵衛(wèi) 開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票ㄑ芯?2002
該文的主要工作和結(jié)論如下:(1)推導(dǎo)了描述可燃?xì)庠票ǖ?個(gè)守恒方程,并進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化.利用能量均勻加入法和有限差分技術(shù),編制了半球形氣
云爆炸過(guò)程的計(jì)算程序.利用該程序計(jì)算了爆炸場(chǎng)參數(shù),計(jì)算結(jié)果表明:①氣云半徑越大,爆炸最大壓力越大;氣云半徑越大,氣云區(qū)內(nèi)部爆炸壓力在能量釋
放過(guò)程中增加得越快,在能量釋放完畢以后衰減得也越快;②爆熱越大,爆炸最大壓力越大;爆熱越大,氣云區(qū)內(nèi)部爆炸壓力在能量釋放過(guò)程中增加得越快
,在能量釋放完畢以后衰減得也越快.(2)數(shù)值方法的可靠性通常用黎曼問(wèn)題的解析解檢驗(yàn),該文以無(wú)量綱計(jì)算區(qū)長(zhǎng)度為2,高壓區(qū)長(zhǎng)度為0.8,狀態(tài)參數(shù)為
p<,1>=2,p<,2>=1,ρ<,1>=ρ<,2>=1,u<,1>=u<,2>=0條件下的黎曼問(wèn)題解析解對(duì)所編制的爆炸場(chǎng)計(jì)算程序進(jìn)行了考核,結(jié)果表明該程序的計(jì)算誤差在9﹪以
內(nèi);為考核該文計(jì)算模型預(yù)測(cè)開(kāi)敞空間氣云爆炸的適用性,以文獻(xiàn)[8]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校核,計(jì)算誤差在1 3﹪以內(nèi).(3)該文設(shè)計(jì)了由壓力變送器、數(shù)據(jù)采
集卡、計(jì)算機(jī)和電火花裝置組成的測(cè)試系統(tǒng),建立了可燃?xì)庠票紝?shí)驗(yàn)系統(tǒng);以化學(xué)計(jì)量濃度的乙炔-空氣混合物為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)半球
形氣云內(nèi)部與氣云同心的半球形多孔障礙物對(duì)火焰的加速作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并歸納出爆炸超壓與其影響因素之間的關(guān)系;同時(shí)還考察了障礙物數(shù)量對(duì)爆
炸超壓的影響.①障礙物半徑和障礙物空隙率對(duì)爆炸超壓影響非常顯著.②對(duì)于單個(gè)障礙物,氣云半徑和障礙物半徑不變時(shí),隨著障礙物空隙率增大,爆炸超
壓逐漸減小.在r/R<,0>=1.2~4.0的范圍內(nèi),爆炸超壓與障礙物半徑及距氣云中心的距離之間的關(guān)系為△p=1.23φ-0.87/r(2.11-1.19φ).③對(duì)于單個(gè)障礙
物,氣云半徑和障礙物空隙率不變時(shí),隨著障礙物半徑增大,爆炸超壓逐漸增大.在r/R<,0>=1.2~4.0的范圍內(nèi),爆炸超壓與障礙物半徑及距氣云中心的距離
之間的關(guān)系為△p=16.16R<,b><'1.03>/r(0.96+1.65R<,b>).④氣云半徑和障礙物空隙率不變時(shí),隨著障礙物數(shù)量增大,爆炸超壓逐漸增大;障礙物數(shù)量相同
時(shí),障礙物半徑越大,爆炸超壓越大.
8.期刊論文楊國(guó)剛.丁信偉.畢明樹(shù).YANG Guogang.DING Xinwei.BI Mingshu 聚乙烯薄膜對(duì)可燃?xì)庠票ㄓ绊懙膶?shí)
驗(yàn)研究與數(shù)值模擬-化工學(xué)報(bào)2005,56(1)
聚乙烯薄膜作為約束物,對(duì)可燃?xì)庠票ㄓ兄匾挠绊?采用7.8%的乙炔/空氣混合氣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,薄膜厚度分別為0.02、0.04 mm和0.06 mm,層
數(shù)為1～4層.結(jié)果顯示,當(dāng)采用單層厚度0.02 mm的薄膜時(shí),半徑0.5 m的半球形氣云爆炸可產(chǎn)生2.410 kPa的最大超壓;厚度0.06 mm時(shí),最大超壓達(dá)到3.642
kPa;薄膜層數(shù)為4層時(shí),最大超壓上升到13.125 kPa.建立了描述氣云爆炸的理論模型,模型考慮了薄膜強(qiáng)度、層數(shù)對(duì)爆炸的影響,采用SIMPLE算法進(jìn)行了數(shù)
值求解.計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比較,最大相對(duì)偏差14.8%,平均相對(duì)偏差4.73%.提出的方法對(duì)有弱約束物存在時(shí),氣云爆炸的災(zāi)害預(yù)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義.
9.期刊論文畢明樹(shù).叢立新.丁信偉可燃?xì)庠苾?nèi)置障礙物對(duì)爆炸沖量場(chǎng)影響的實(shí)驗(yàn)研究 -石油學(xué)報(bào)（石油加工）
2004,20(6)
設(shè)計(jì)了內(nèi)置半球條柵形障礙物的氣云爆燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),爆燃過(guò)程的壓力-時(shí)間曲線由動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1 ms 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄、儲(chǔ)存與輸
出, 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、A/D 采集卡和計(jì)算機(jī)組成.通過(guò)編制沖量計(jì)算程序,由壓力-時(shí)間曲線算得各測(cè)點(diǎn)的沖量值.對(duì)氣云爆炸沖量場(chǎng)與可燃?xì)?
云濃度、障礙物特性參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,乙炔-空氣混合物的最危險(xiǎn)的混合物體積分?jǐn)?shù)為13.3%;障礙物空隙率、半徑、空隙寬度及
條柵寬度對(duì)沖量場(chǎng)的影響非常顯著, 而它們之間的交互作用幾乎沒(méi)有什么影響.通過(guò)曲線擬合和方差分析得到了半球形氣云爆炸沖量場(chǎng)的近似余弦衰減規(guī)
律.
10.期刊論文邵衛(wèi).畢明樹(shù).丁信偉.任振峰可燃?xì)庠票ɑ鹧婕铀贆C(jī)制的探討 -化工機(jī)械2002,29(2)
綜述了可燃?xì)庠票ㄟ^(guò)程中火焰加速機(jī)制的研究現(xiàn)狀,討論了幾種火焰加速機(jī)理.
引證文獻(xiàn)(1條)
1.張瑞書(shū)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的油輪貨油加熱經(jīng)濟(jì)性分析[學(xué)位論文]碩士 2007
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授權(quán)使用：上海海事大學(xué)(wflshyxy)，授權(quán)號(hào)：7cfe9001-b647-435c-a0cf-9e18009e87c2
下載時(shí)間：2010年10月23日

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