第1章緒論


可燃?xì)怏w廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中來可燃?xì)怏w爆炸事故頻發(fā)，不僅對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，而且嚴(yán)重危害社會(huì)穩(wěn)定，已經(jīng)引起世界各國政府、科研機(jī)構(gòu)的普遍關(guān)注。14年7月31日，中國臺(tái)灣地區(qū)高雄輸送丙烯的管線因輕軌施工而破損，發(fā)生泄露并遇到點(diǎn)火源發(fā)生連環(huán)爆炸，造成36人死亡，321人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億新臺(tái)幣。13年11月22日，青島市中國石油化工股份有限公司東黃輸油管道發(fā)生原油泄露，泄漏的原人暗渠揮發(fā)形成的積聚油氣遇敲擊火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡，136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7.5億元人民幣。15年6月3日，加納阿克拉市中心加油站儲(chǔ)油罐因暴雨發(fā)生破裂泄漏揮發(fā)的油氣遇到點(diǎn)火源引發(fā)爆炸，造成至少0人死亡。10年4月日，美國墨西哥灣石油鉆井平臺(tái)因井漏而引發(fā)起火災(zāi)爆炸，造成11人死亡，泄露原油污染面積達(dá)155萬km2，直接經(jīng)濟(jì)損失約10億美元。05年12月11日英國邦斯菲爾德油庫由于泄漏而發(fā)生爆炸事故，燒毀大型儲(chǔ)油罐余座，受傷43人，直接經(jīng)濟(jì)損失2.5億英鎊，事故原因?yàn)閮?chǔ)罐液位器失靈造成溢油，石油泄出后遇電火花引發(fā)爆炸，與周圍樹木相互作用形成爆燃轉(zhuǎn)爆轟，產(chǎn)生了巨大的破壞。因此，揭示可燃?xì)怏w在復(fù)雜環(huán)境下火焰加速、傳播和爆燃轉(zhuǎn)爆轟等機(jī)理，具有重要的理論意義和較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。


可燃?xì)怏w爆炸事故大多發(fā)生在儲(chǔ)罐群、樓房群、廠房、生產(chǎn)線、地下管網(wǎng)等復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)中，且初始時(shí)刻可燃?xì)怏w濃度分布不均，這些因素導(dǎo)致其爆炸過程呈現(xiàn)高度的非定常特性，火焰、高速氣流和沖擊波在這些障礙物(群)中的傳播機(jī)理和特性復(fù)雜，存在幾何邊界、運(yùn)動(dòng)沖擊波和化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈地相互作用。因此，針對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的非理想性的特征，需行深入系統(tǒng)的研究，以便更好地揭示復(fù)雜環(huán)境約束條件下可燃?xì)怏w爆炸演化規(guī)律。另一方面，由于可燃性氣體爆炸過程含火焰加速、爆燃甚至爆轟等不同階段，各個(gè)階段傳播特征及機(jī)理不盡相同。爆炸初始階段，火焰為層流火焰，傳播速度較慢，點(diǎn)火機(jī)制為熱輻射和熱傳導(dǎo)。隨著火焰逐漸加速，流動(dòng)與火焰相互作用逐漸，層流火焰變?yōu)橥牧骰鹧�，�?dāng)火焰誘導(dǎo)的壓力波不斷，并在火焰前方疊加形成沖擊波時(shí)，火焰與沖擊波的相互作用成為影響火焰?zhèn)鞑サ闹匾�原因。�?dāng)激波足夠強(qiáng)時(shí)，熱點(diǎn)的形成觸發(fā)爆燃轉(zhuǎn)爆轟發(fā)生。但是，火焰?zhèn)鞑��?duì)化學(xué)力學(xué)參數(shù)及初始條件和邊界條件敏感，其過程不僅涉及流體動(dòng)力學(xué)過程，還涉及復(fù)雜的化學(xué)力學(xué)過程，其研究難度極大，是目前燃燒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。


從領(lǐng)域的工程應(yīng)用及爆炸力學(xué)的學(xué)科發(fā)展角度來看，對(duì)可燃?xì)怏w爆炸過程及其機(jī)理的研究均十分必要。本書針對(duì)這一問題，建立了能描述氣體爆炸過程中火焰加速、湍流燃燒和爆燃轉(zhuǎn)爆轟的數(shù)值模擬控制方程組括直接數(shù)值模擬和大渦模擬，結(jié)合湍流模型和化學(xué)反應(yīng)模型，在課題組構(gòu)造的高精度數(shù)值算法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了高精度大規(guī)模并行程序。對(duì)可燃?xì)怏w的低速層流火焰加速、爆燃轉(zhuǎn)爆轟的全過行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，揭示火焰加速機(jī)理、爆燃到爆轟的轉(zhuǎn)變機(jī)制及其影響因素。本書中的研究結(jié)果不僅補(bǔ)充和完善現(xiàn)有的可燃?xì)怏w爆炸和爆燃轉(zhuǎn)爆轟相關(guān)理論，而且推動(dòng)這一科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，而且對(duì)于工業(yè)爆炸災(zāi)害和治理具有重要的意義。