采用入射激波代替點火裝置引燃激波管內(直徑10cm、初始壓力0.6kPa、溫度298K條件下)天然氣混氣在20ms時間段內管內壓力、溫度變化過程如圖2所示。從圖2-a可以看出，由于采用了入射激波代替點火源，在入射激波到達混氣區域時混氣溫度出現跳躍式提升瞬間溫度超過3100K。然后溫度出現一個向下擾動過程，原因在于根據熱爆炸理論此時系統內反應熱生成速度小于向外界環境散熱速度。隨著氣體反應速度不斷提高，當時間到達約1.4ms時系統溫度開始快速升高，此時混氣被引爆且反應處于不斷加速的過程。該過程一直持續至約4.4ms，對應溫度最大值3221K。當到達溫度峰值時混氣內甲烷等可燃氣體摩爾數已接近零，且氣相反應凈熱釋放速度已通過峰值(發生在約3ms，對應鏈式反應活性基團凈牛成速度最大)，并保持基本穩定。此后，溫度逐漸趨于穩定并達到一定值。

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圖2-b給出了混氣爆炸壓力的變化過程。可以看出，在反應初期由于受到入射激波的沖擊壓力瞬間拉高，隨之受到燃燒反應過程的影響壓力又有所降低。當混氣溫度達到峰值時，爆炸壓力隨之開始逐步提升，在這一過程中氣相反應凈熱釋放速度基本穩定。在溫度達到峰值、壓力開始上升的時刻(約4.4ms)，激波管內激波速度也達到峰值，約406m／s，隨之逐漸下降。

受限空間內可燃氣體泄漏后，環境壓力會存在一定的差異。圖3-a給出了不同初始壓力對激波管內混氣溫度變化過程的影響。隨著初始壓力提高混氣爆炸發生時刻逐漸提前，分別為1.4ms、1.0ms、0.8ms。原因在于一方面高壓條件下氣相反應速度較快、熱釋放速度提高，另一方面混氣熱傳導性能降低導致熱損失減小，從而使爆炸反應更加容易進行。在不同初始壓力條件下混氣引爆后的溫度峰值基本一致，但達到峰值所用時間存在差異。當初始壓力為1.0kPa時，達到溫度峰值所需時間約為2.8ms；而初始壓力為0.8kPa時，達到溫度峰值所需時間約為3.4ms；初始壓力為0.6kPa時，達到溫度峰值所需時間約為4.4ms。計算結果表明，提高初始壓力使反應速度加速、升壓速度提高，會更迅速達到峰值溫度。此后，在不同壓力條件下混氣溫度下降速度基本一致。

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圖3-b反映了不同初始壓力條件下激波管內混氣爆炸壓力變化過程。如圖所示，隨著初始壓力提高混氣爆炸壓力也在提高。當初始壓力為0.6kPa時，混氣爆炸壓力約為47kPa；初始壓力為0.8kPa時，混氣爆炸壓力約為62kPa；初始壓力為1.0kPa時，混氣爆炸壓力約為78kPa。通過以上2方面分析可知，引爆時間和爆炸壓力均受到混氣初始壓力影響較大，在高壓條件下更加容易引發災難性爆炸事故。

事故表明，可燃氣體泄漏空間尺寸存在較大的隨機性。鏈式反應理論認為，鏈反應中生成的活性基團在擴散過程中會因與壁面碰撞而消亡，活性基團銷毀速度取決于鏈的有效碰撞數，因此爆炸反應過程與空間形狀、尺寸有較大關聯。圖4給出了不同激波管內徑在初始溫度298K、0.6kPa初始壓力條件下，對爆炸溫度、壓力變化的影響。本文采用3種管徑進行計算比較，管徑之比約為1：5：10，在激波管長度相等的情況下激波管內表面積之比約為1：25：100。管內壁對爆炸鏈式反應過程的影響主要體現在兩個方面，包括對活性基團的銷毀速度和體系向環境散熱速度的影響。

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圖4-a表明，管徑為10cm的激波管爆溫明顯高于另外兩個激波管的爆溫。原因在于，10cm管徑激波管的表面積遠小于另外兩個(內表面積之比分別為1：25和1：100，而后兩個的內表面積之比僅為1：4)，因散熱面積較小致使散熱速度明顯低于其他兩個；另一方面，10cm管徑激波管的空間較小實際上增加了活性基團與器壁之間的碰撞概率，導致單位而積銷毀速度要大于后兩者。綜合比較兩方面的作用可知，激波管空間尺寸對體系向外界散熱作用的影響要高于活性基團銷毀作用的影響。因此空間尺寸相對較小的激波管其爆炸溫度相對較高。

圖4-b給出了不同管徑條件下激波管內混氣爆炸壓力變化過程。10cm管徑激波管由于其爆炸溫度較高其爆炸壓力上升較快，這一點充分說明相對較小的爆炸空間可以獲得更加迅速的爆炸升壓速度，爆炸溫度是影響爆炸壓力的最直接因素。而55cm和100cm管徑的激波管由于兩者爆炸溫度歷程基本相同，因此影響其升壓過程的主要因素轉換為卒間尺寸。由于激波產生是由多個壓縮波疊加形成，尺寸較大的激波管可以為激波產生提供更加有利的發展空間，使后面的壓縮波有可能趕上前面的壓縮波，較容易達到高的爆炸壓力。當激波的強壓縮作用使激波管內混氣著火，經一段可用的時間和空間后火焰傳播與激波導致燃燒過程重合時，便產生了爆轟。

基于化學反應動力學基本方法，采用入射激波模型對受限空間內天然氣爆炸過程反應動力學特征進行了研究，分別討論了天然氣在空氣中燃燒化學反應過程、混氣初始壓力、空間尺寸等因素對爆炸過程的影響，研究得到以下結淪：

1)受限空間內天然氣爆炸反應過程是由多步基元反應構成，在微觀上具有反應歷程多元性、基元反應可逆性以及燃燒不完全性等特點。

2)可燃混氣燃燒過程隨溫度、壓力的增加可以轉換為爆轟過程，爆轟產生過程是一個典型的激波傳播過程，當火焰傳播與激波導致燃燒過程重合時，便產生了爆轟。

3)用入射激波點燃混氣時，體系溫度會首先出現跳躍式上升，然后由于反應熱生成速度小于散熱速度系統溫度會出現向下擾動。當混氣被引爆后，溫度、壓力將上升并趨于穩定，在溫度達到峰值時壓力隨之提高。氣相反應凈熱釋放速度峰值出現在溫度峰值之前，達至溫度峰值時混氣內可燃組分基本消耗殆盡。

4)提高初始壓力會縮短町燃混氣引爆時間，但爆炸溫度峰值基本相同，高的初始壓力對反應速度有加速作用，會導致更高的爆炸壓力。

5)空間尺寸對散熱作用的影響高于其對活性基團銷毀作用的影響，爆炸溫度直接影響著爆炸壓力的大小，小空間可以獲得更迅速的爆炸升壓速度。

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[1]韓德剛，高盤良．化學動力學基礎[M]．北京：北京大學出版社，1987．

Han Degan9，Gao Panlian9．Chemical kinetics foundation[M]．Beijing：Peking University Press，1987：107-113．

[2]張松壽，童正明，周文鑄．工程燃燒學[M]．北京：中國計量出版社，2008．

Zhang Songshou，Tong Zhengming，Zhou Wenzhu．Combustion engineering[M]．Beijing：China Metrology Publishing House，2008．

[3]王博，陳思維．密閉受限空間可燃氣體爆炸特性數值模擬研究[J]．工業安全與環保，2008，34(2)：28-30．

Wang Bo，Chen Siwei．Numerical simulation of explosive characteristics of flammable gas in closed restricted space[J]．Industrial Safety and Environmental Protection，2008，34(2)：28-30．

[4]曾岳梅．TNO多能法在某LNG罐區蒸氣云爆炸的應用[J]．石油化工安全環保技術，2013，29(6)：7-9．

Zeng Yuemei．The application of TNO muhi energy method in VCE of certain LNG tank area[J]．Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology，2013，29(6)：7-9．

[5]張網，呂東，王婕．蒸氣云爆炸后果預測模型的比較研究[J]．工業安全與環保，2010，36(4)：48-49．

Zhang Wang，Lv Dong，Wang Jie．Comparison of vapor cloud explosion(VCE)consequences prediction models[J]．Industrial Safety and Environmental Protection，2010，36(4)：48-49．

[6]吳松林，杜揚，李國慶，梁建軍．基于激波管的油氣爆炸實驗和數據分析[J]．中國安全生產科學技術，2014，1O(2)：5-10．

Wu Songlin，Du Yang，Li Guoqing，Liang Jianjun．Explosion experiment and data analysis of gasoline-air mixture based on shock tube[J]．Journal of Safety Science and Technology，2014，10(2)：5-10．

[7]杜水友，裘國紅，符傳偉．激波管階躍壓力持續時間研究[J]．中國計量學院學報，1996，12(1)：51-56．

Du Shuiyou，Qiu Guohong，Fu Chuanwei．The study on the step pressure interval time of the shock tube[J]．Journal of??China Institute of Metrology，1996，12(1)：51-56．

[8]王建，段吉員，趙繼波，譚多望．可燃氣體混合物燃燒轉爆轟判據劉比分析[J]．高壓物理學報，2013，27(3)：385-390．

Wang Jian，Duan Jiyuan，Zhao Jibo，Tan Duowang．Analysis of the onset of detonation in the DDT process for combustible mixture[J]．Chinese Journal of High Pressure Physics，2013，27(3)：385-390．

[9]任韶然，李海奎，李磊兵，張亮，于芳．惰性及特種可燃氣體對甲烷爆炸特性的影響實驗及分析[J]．天然氣工業，2013，33(10)：110-115．

Ren Shaoran，Li Haikui，Li Leibing．Zhang Liang．Wang Fang．An experimental study of effects of inert and special flammable gases on methane’s explosion characteristics[J]．Natural Gas Industry，2013，33(10)：110-115．

[10]王建，段吉員，趙繼波，黃文斌．惰性氣體對可燃氣體爆炸反應進程的阻尼效應研究[J]．工業安全與環保，2011，37(7)：39-41．

Wang Jian，Duan Jiyuan，Zhao Jiho，Huang Wenbin．Damping effect of the inert gas on the explosion reaction in combustible mixture[J]．Industrial Safety and Environ mental Protection，2011，37(7)：39-41．

[11]梁運濤，曾文．激波誘導瓦斯爆炸的動力學特性及影響因素[J]．爆炸與沖擊，2010，30(4)：370-376．

Liang Yuntao，Zeng Wen．Kinetic characteristics and influencing factors of gas explosion induced by shock wave[J]．Explosion and Shock Waves，2010，30(4)：370-376．

[12]張博，白春華．C2H2-O2-Ar混合氣體爆轟特征參數研究[J]．高壓物理學報，2013，27(2)：287-291．

Zhang Bo，Bai Chunhua．Investigation on the characteristic detonation parameters of C2H2-O2-Ar mixtures[J]．Chinese Journal of High Pressure Physics，2013，27(2)：287-291．

[13]沈偉，杜揚．受限空間尺度對可燃氣體爆燃波發展過程的影響[J]．實驗力學，2006，21(2)：122-128．

Shen Wei，Du Yang．Effect of scale on deflagration of fuelair mixture in confined space[J]．Journal of Experimental Mechanics，2006，2l(2)：122-128．

[14]陳漢林，杜揚，韓宇澄．狹長密閉空間中油氣爆炸的實驗研究[J]．中國儲運，2011(3)：100-101．

Chen Hanlin，Du Yang，Han Yucheng．Experimental study of oil and gas explosion in narrow confined space[J]．China Storage&Transport，2011(3)：100-101．

[15]俞鴻儒．氫氧燃燒及爆轟驅動激波管[J]．力學學報，1999，31(4)：389-397．

Yu Hongru．Oxy hydrogen combustion and detonation driven shock tube[J]．Aeta Mechanica Sinica，1999，31(4)：389-397．

[16]Chemkin-Pro Software：Theory Manual[M]．San Diego：Reaction Design Co．，2008．

[17]Hori M，Matsunaga N，Marinov N，William P，Charles W．Merle H，et al．An experimental and kinetic calculation of the promotion effect of hydrocarbons on the NO-NO2conversion in a flow reactor[J]．Symposium(International)on Combustion，1998，27(1)：389-396．

[18]Rankine WJM．On the thermodynamic theory of waves of finite longitudinal disturbance[J]．Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1870，160：277-288．

[19]Salas MD．The curious events leading to the theory of shock waves[J]．Shock Waves，2007，l6(6)：477-487．

[20]Laney CB．Computational gas dynamics[M]．Cambridge：Cambridge University Press，1998．

[2l]LeVeque RJ．Finite volume methods for hyperbolic problems[M]．Cambridge：Cambridge University Press，2002．

[22]趙賢正，趙政璋，李景明，李東旭．中國陸上天然氣資源的特征及發展策略[J]．石油學報，2004，25(5)：1-5．

Zhao Xianzheng，Zhao Zhengzhang，Li Jingming，Li Dongxu．Characteristics and development strategy of on shore natural gas resources in China[J]．Acta Petrolei Sinica，2004，25(5)：1-5．

[23]張應安，劉振翼，王峰，錢新明，張德平，黃平．含CO2天然氣燃燒爆炸特性實驗研究[J]．天然氣工業，2009，29(6)：110-112．

Zhang Ying’an，Liu Zhenyi，Wang Feng，qian Xiuming，Zhang Deping，Huang Ping．Experimental studies on fire and explosion characteristics of natural gas with carbon dioxide[J]．Natural Gas Industry，2009，29(6)：110-112．