管道内爆炸的发展
本帖最后由 finekay 于 2021-6-24 19:52 编辑管线中由低能量源诱发的爆炸首先以缓慢爆燃的形式传播，此时相对管线的火焰传播速度较小（<< 300ms-1）。这一阶段，放热火焰或反应前锋前方的气流移位距离较小，火焰前锋压力增幅相对较低（不足1bar），且未形成冲击波。随着火焰前锋速度和能量释放速度加快，气流与管壁之间的相互作用导致湍流燃烧速度加快，进而在火焰前缘形成冲击波，使得整个爆炸过程进一步加速。这一加速是因燃烧前锋和火焰前方气流之间存在正反馈所致。这一反馈是因气流所引发湍流及后续湍流质量燃烧速度增加所导致的。通常认为（但未经充分定量），冲击-火焰复合物速度接近约1000ms-1时，爆炸过程还可进一步升级。目前，部分案例出现了局部爆炸会发生明显瞬时超压的情况。将其称为爆燃-爆轰过渡阶段或DDT阶段。经过该过渡阶段，爆轰波移动速度将高于经简单稳态理论预测所得数值，但始终处于降速状态，最终达到稳态或Chapman Jouguet状态。管线内发生爆炸时，防爆轰阻火器所在的位置可能经历所有此类阶段。只要达到稳定爆轰条件，无论在爆轰波前方施加任何反馈，都无法对火焰和冲击速度产生任何影响。稳态爆轰是超音速燃烧波的一种独特传播形式，其特点在于速度恒定，依据与初始气体混合物有关的基本热力学数据可轻易计算出其量级。爆轰时压力可增至环境压力的18倍以上，因此可能具备破坏性。从爆燃过渡到爆轰的过程仍不明确，但由于瞬变压力可超出环境压力100倍，因此，局部超压带来巨大破坏力的可能性很高。在紧邻过渡阶段之后、爆轰波衰减至稳态速度和压力之前的这段时间，该波处于超趋状态。这一阶段的峰值压力和局部波速均高于理论稳态值。故而，在由低能量点火源引发的管线爆炸中，可将加速爆炸事件的各阶段大致分类归纳如下：1. 缓慢爆燃（Sdef）2. 快速爆燃（Fdef）3. 超趋爆轰或爆轰过渡（Odet）4. 稳态爆轰（CJdet）
火焰加速由多种因素构成。火焰沿管道移动，
涡旋边界层扩张并占据管线横截面，增加了湍流。火焰开始延申，面积获得增加。未燃烧气体和燃烧气体不断压缩，产生冲击波
随着不断的压缩，在冲击波致使新鲜气体升温之后，自然位置像火焰靠近，进入火焰，最后到达火焰的前方。加剧冲击波并形成激波阵面，
逐步升级为爆轰。爆轰同时产生回爆波。
通过燃烧的气体返回并反射，然后再次向前传播。
在管道内由低能量源诱发的爆炸发展过程中，初始阶段通常表现为缓慢的爆燃现象，随后可能因环境条件发生动态演变。以下是这一过程的详细分析：
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### **1. 初始阶段：缓慢爆燃**
- **爆燃特性**
低能量源（如电火花或小火焰）点燃可燃气体混合物后，燃烧以亚音速（通常每秒几米至几十米）传播，属于爆燃。此时，火焰通过热传导和扩散传递能量，未形成冲击波，燃烧速度受限于混合物的化学性质和初始湍流强度。
- **火焰速度较低的原因**
- **能量限制**：低能量源仅能点燃局部混合物，未能瞬间释放足够能量驱动快速燃烧。
- **层流主导**：初始阶段湍流较弱，火焰锋面平滑，燃烧面积有限。
- **混合物状态**：若可燃气体浓度偏离化学当量比（如贫燃或富燃），燃烧速率会显著降低。
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### **2. 火焰加速机制**
随着爆燃发展，管道内的环境因素可能导致火焰加速，甚至向爆轰转变（Deflagration-to-Detonation Transition, DDT）：
- **湍流增强**
火焰前方未燃气体受热膨胀产生流动，若管道存在障碍物（如阀门、支架），会加剧湍流，导致火焰锋面皱折，燃烧面积增大，释放能量速率提升。
- **压力波反馈**
燃烧产物膨胀产生压缩波，压缩波在管道端部反射形成前驱冲击波，预热并压缩未燃混合物，使其更易点燃，形成正反馈循环。
- **管道几何效应**
- **长径比**：长管道允许火焰持续加速，压力波叠加可能形成局部爆炸中心。
- **封闭性**：封闭管道中压力积累迫使火焰加速，而开放管道可能因泄压减缓速度。
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### **3. 爆燃转爆轰（DDT）的条件**
若火焰加速至接近音速，可能触发DDT，形成超音速爆轰波（速度可达2000 m/s以上）。关键条件包括：
- **足够长的加速距离**：管道长度需满足火焰持续加速至临界速度。
- **强湍流或障碍物**：促进火焰与未燃气体混合，缩短反应时间。
- **混合物敏感性**：高活性燃料（如氢气）或接近化学当量比的混合物更易发生DDT。
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### **4. 潜在后果与防护**
- **破坏力升级**：爆轰产生的冲击波压力可达数十MPa，远高于爆燃（通常0.1-1 MPa），对管道结构造成灾难性破坏。
- **防护措施**
- **泄爆装置**：在关键位置安装泄压板，及时释放压力。
- **抑制湍流**：优化管道设计，减少障碍物。
- **浓度监控**：避免可燃气体积累至敏感浓度范围。
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### **总结**
低能量源诱发的管道爆炸始于缓慢爆燃，但受湍流、压力波及管道结构的影响，可能演变为高速爆轰。理解这一过程对工业安全设计至关重要，需通过主动控制混合物流速、浓度及管道几何布局，最大限度降低爆炸风险。
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