Page 178 - 《爆炸与冲击》2023年第2期
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第 43 卷 张保勇，等： 不同迎爆面结构的泡沫金属对甲烷气体爆炸传播阻隔性能的实验研究 第 2 期
超过 0.65 MPa 时，气体爆炸会完全破坏巷道设备，火焰温度超过 595 ℃ 时，瓦斯会被火源引爆。通过计
算得出，当熄爆参数低于 390 MPa·℃时，人与设备处于相对安全界限内，并且熄爆参数越低则表明防护
效果越好。在气体阻隔爆实验过程中，锯齿角度越小，对气体爆炸的阻隔效果越好。实验 2 中材料后端
熄爆参数为 17.68 MPa·℃，阻隔爆效果最好。实验 1 中材料后端熄爆参数为 174.69 MPa·℃，阻隔爆效果
最差。其中，实验 2～4 中材料前后端熄爆参数分别下降 828.77、1 479.01 和 334.20 MPa·℃，这表明材料
在爆炸过程中均起到保护作用。
2.4 不同结构迎爆面
通过实验研究，得到了不同结构迎爆面的阻隔爆效果，如图 9 所示。当爆炸冲击波和火焰与迎爆
面接触时，锯齿形迎爆面会将火焰分化为多股细小火焰，使得火焰锋面不能连续。此外，由于锯齿状
迎爆面相较于平整迎爆面，有更大的接触面积，在爆炸冲击波和火焰更深入地进入泡沫金属的过程中，
泡沫金属材料本身具有细小的多孔孔隙结构，因此火焰和冲击波被不同的孔隙结构弱化成若干的细
小部分。在此期间，爆炸冲击波和火焰在此区域内大幅集中，并在进入泡沫金属内部的过程中造成形变
或在壁面处产生能量的反射和散射作用，从而起到材料阻隔爆的效果。火焰和冲击波通过材料粗糙孔
隙时造成的阻力以及与孔壁的碰撞和摩擦，导致参加燃烧反应的自由基数量急剧减少，削弱了整体爆炸
反应强度 [30] 。
90°
60°
30° 30°30° 30°30° 30°30° 60° 60° 90°
30°
60°
(a) Experiment 2 (b) Experiment 3 (c) Experiment 4
图 9 不同迎爆面的阻隔爆效果
Fig. 9 Effect of blocking explosion of different surfaces
另外，刘庆刚等 [31] 研究了不同角度 V 形缺口对集中应力的影响，发现角度与集中应力呈正相关。
爆炸冲击波和火焰向迎爆面锯齿内部深入，会在锯齿深处切点形成应力集中区域。锯齿形缺口（V 形缺
口）在迎爆面底部尖端处的应力集中程度较高，并且锯齿底部角度越大，即在锯齿边缘两端的过渡半径
越大，会导致在该区域范围内的应力集中系数也会相应越大。这就会造成更多的应力集中在锯齿底
部。在相同锯齿切入深度和相同材料厚度的条件下，不同锯齿形迎爆面实验材料随着锯齿角度的减小
和锯齿齿数的增多，迎爆面与爆炸冲击波接触的面积越大，相同外在应力条件下作用在迎爆面和材料内
部的应力越分散，进一步促进泡沫金属整体阻隔爆效果的提升。
3 结 论
通过自主设计的爆炸管网实验平台，研究了不同角度的锯齿形迎爆面泡沫金属对气体爆炸阻隔爆
性能的影响，得到如下结论。
(1) 在泡沫金属外侧添加锯齿形迎爆面，能有效提高材料的阻隔爆性能。相较于平整迎爆面实验材
料，锯齿形迎爆面泡沫金属在爆炸超压、火焰速度和传播温度的衰减率以及熄爆参数等方面均有不同程
度的改善。
(2) 随着锯齿角度变小，泡沫金属材料整体的阻隔爆效果会有所提升。超压衰减率、火焰传播速度
衰减率和火焰温度衰减率会随着锯齿角度的减小而提高，其中实验 2 中爆炸超压衰减率、火焰传播速度
衰减率和火焰温度衰减率分别为 74.0%、76.18% 和 91.93%，阻隔爆效果最好。
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