文献综述
1 研究背景
随着现代工业的高速发展，甲烷、乙烯、氢气等可燃性气体在工业生产和生活中得到了广泛应用。但是可燃气体的危害性不容小觑，可燃气体在生产、运输和使用等过程中，往往因为各种原因而容易发生泄露，泄露后的可燃气体与周围环境的空气发生混合形成预混可燃气，一旦有点火源，易发生各种严重的燃烧爆炸灾害事故。因为可燃气体泄露而产生的爆炸事故往往造成较为严重的人员伤亡、环境破坏和巨大的财产损失。
石油化工、天然气、塑料等行业中，可燃气体燃烧爆炸事故所占比例较高，其所造成的危害性如人员伤亡和财产损失相较于其他事故类型要为严重。1989年，美国一聚乙烯厂因异丁烷泄漏产生爆炸，摧毁了整个工厂，造成24人死亡，124人受伤，直接经济损失7.5亿美元。1993年10月，北京燕山石化公司一化工厂因乙烯气体泄漏引起大范围爆炸，造成3人死亡，经济损失达两亿元。2016年6月28日，美国密西西比州一家天然气加工厂发生爆炸并起火。可燃气体灾害事故频发，而且造成巨大的人员伤亡和财产损失，这对国家工业化的发展起到了阻碍作用。随着国家对安全的重视，预防和减少可燃气体爆炸事故，保障工业生产安全和人民日常生活安全尤为重要。
为了进行可燃气体爆炸事故的防治，许多国家投入大量的人力、物力、财力进行科研活动，国内外众多专家投身于可燃气体爆炸发展过程和泄爆方面的相关研究。
2 国内外研究现状
2.1 半封闭空间气体爆炸
俞健良等[1] 对预混可燃气在圆形管道中的爆炸过程做了实验研究，圆形管道中点火端用法兰密闭，而出口端是开放的。圆形管道上的各测点处安装光敏火焰传感器和高频动态压力变送器来测量和计算出超压变化和火焰传播速度。实验装置中点火后气体开始燃烧，燃烧放出的热量使气体温度骤升、体积膨胀，进而诱导产生前驱冲击波，前驱冲击波使未燃气体发生扰动并推动其向管出口端流动。气体爆炸过程超压的变化曲线可分为4个阶段：前驱冲击波阶段，升压阶段，降压阶段，余波阶段。可分为，爆炸压力发展上升阶段、爆炸压力高值区、爆炸压力衰减区。随着火焰的传播，火焰传播速度越来越快，火焰传播速度与传播距离成线性关系。在爆燃状态下，超压和火焰传播速度较低，而在爆轰状态下，火焰传播速度可达每秒近千米，最大超压达兆帕量级。
杨书召等[2]用一端开口的半封闭爆炸试验装置来研究瓦斯爆炸传播，通过改变瓦斯聚集长度模拟爆炸点源和线源，研究了爆炸在燃烧区和一般空气区的传播规律。瓦斯弱爆炸冲击波超压变化分两阶段，燃烧区内呈逐步增加趋势直至最大超压，进入一般空气区后逐步衰减消失。得到的实验结果与爆炸模型[3]的理论解对比分析得出，爆炸燃烧区超压变化复杂，理论模型只适用于冲击波在一般空气区内传播分析。
泄爆是工业上广泛采用的气体和粉尘爆炸防治手段之一，指通过泄爆装置将腔室或容器内部已燃高压混合气体导入到外部环境，使内部压力迅速降低，防止容器发生爆炸，以保证容器安全的技术[4]。预混可燃气在容器中被引燃，发生燃爆并放出大量热，燃烧产物温度急剧上升导致容器内压力上升，当压力达到容器最大允许压力值时，通过泄放装置泄放气体压力，使得容器内压力迅速降低到正常允许值。
国内外学者[5-7]的泄爆研究主要讨论在不同泄爆面积和泄爆压力条件下的容器内压力发展过程，即不同泄爆条件对容器内爆炸发展产生的影响。师喜林[8]等通过对甲烷-空气预混气体的泄爆过程进行了实验研究，通过改变甲烷浓度、泄放面积和初始压力值进行了大量实验，当泄爆面积较小时，最大爆炸压力值不降反加大，升压阶段时间和降压阶段时间也大大减少。所以确定泄压面积时必须符合泄爆量的要求。任少峰等[9]运用国内外广泛应用的湍流模型和燃烧模型对可燃气体泄爆过程进行模拟，主要研究泄压口比率对管道内爆炸压力与火焰速度的影响规律。通过数值模拟的方法来比较在不同泄压口比率条件下，火焰速度和压力波峰的变化，为泄爆装置的设计提供理论依据。当泄压口比率小于30%，泄压口比率与压力峰值成反比，压力峰值随泄压口比率迅速下降，而与火焰速度峰值成正比，速度峰值随之迅速上升。当泄压口比率大于30%，压力峰值和火焰速度几乎不受其影响。因此将泄压口比率为30%作为有效泄爆设计的重要参考值，该理论值尚待实验验证，但有一定的参考价值。
2.2 开敞空间气体爆炸
天然气管道泄漏或化工企业生产中，可燃气云爆炸事故屡见不鲜，常常造成不同程度的人员伤亡和财产损失。王小完[10]等以天然气管线泄漏为研究对象，通过建立数学模型研究管线泄漏后形成的蒸气云爆炸危害机理和破坏规律，对其造成的危害范围及后果进行定量定性分析。蒸气云爆炸主要危害来自于冲击波，冲击波对人体和建筑物的破坏作用取决于冲击波阵面上的超压值，超压值越大其危害程度越大。而庞磊[11]等研究了燃气浓度对室内燃气爆燃火焰波及范围的影响，燃气爆燃事故中高温火焰面是最主要的致害因素之一，燃气浓度越大燃气爆燃波及范围越大，增加了危害性。可见，对于研究可燃气体在不同条件下的发生燃烧爆炸具有重要意义，可为事故预防、事故调查提供数据分析或理论指导。
而开敞空间蒸气云爆炸是爆炸事故中最为普遍的形式，随着经济快速发展可燃气体运用越来越广泛，因此蒸气云爆炸发生的可能性增加，事故危害程度进一步加大，对于开敞空间蒸气云爆炸规律的研究有着十分重要的应用价值[12-13]。
蒸气云爆炸中，爆炸压力随时间变化，先后经历最大正超压、最大负超压、二次正超压的过程，负超压峰值绝对值比正超压峰值大。
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