Page 194 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 李 展，等： 甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅱ：爆炸波演化规律与加载方案设计 第 11 期

E、K、L、M、N 为障碍物比率的变化；工况编号采用“模型布置+气云长度”的方式命名，例如，工况
A6 表示，模型布置为图 9 中所示 A 的形式，气云长度为 6 m。

Steel section Obstacles Ignition location Vent
A H
B I
C J
D K
E L
F M
G N

图 9 数值模型布置
Fig. 9 Configurations of numerical models

表 1 数值计算工况
Table 1 Cases considered in numerical simulation

气云长度/m
模型布置
1.5 2 3 6 9 12 15 18
A、B、C、D √
B、E √
E、F、G、H、I、J √
E、K、L、M、N √
K √ √ √ √ √ √ √ √
注：√表示对应的工况在数值计算中已实施。

3.2 甲烷-空气爆燃驱动爆炸荷载模拟装置内爆炸波演化规律

根据工况 K6 的数值计算结果，分析爆炸荷 350 50
载模拟装置内甲烷-空气爆燃的演化过程。数值 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
300
模 拟 得 到 的 代 表 位 置 处 （ 距 点 火 点 分 别 1、 13、 250 1 m 40
25、32、35 m）超压时程曲线、燃烧进程时程曲 200 13 m 30
线以及典型时刻火焰（b ）、超压（p）、流场速度 25 m
1 Overpressure/kPa 150 32 m Combustion progress/%
（当地马赫数）、燃烧速率（W ）的云图，如图 10 35 m 20
dot
和图 11 所示。依据装置内火焰及压力波的相对 100 10
50
位置，可将甲烷-空气爆燃过程划分以下 5 个阶段。
第 1 阶段（0～70 ms），从点火时刻至火焰传 0 0
播至第 1 个障碍物。此阶段火焰呈指状，燃烧速 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
Time/s
率较低，压力上升缓慢。内部流场呈现典型的气
体爆燃“两波三区”结构 [22] ，即压力波前传、燃 图 10 工况 K6 的超压与燃烧进程时程曲线
烧波尾随，将流场划分为未扰动区、扰动区和已 Fig. 10 Overpressure-time histories and combustion
progress in case K6
燃区，如图 11(a)～(b) 所示。
第 2 阶段为 70～100 ms，从火焰进入障碍物区域至火焰前锋达到最后 1 个障碍物。因障碍物扰动，
燃烧速率显著提高（图 10 中的虚线），爆燃强度加剧，压力迅速上升。约 90 ms 时，燃烧速率达到最大，上
游测点超压升至峰值，火焰前方出现超音速流动（图 11(c)），持续时间约 6 ms（91～97 ms）。
第 3 阶段（100～120 ms）为火焰前锋到达最后 1 个障碍物至超压峰值到达泄爆口。火焰离开障碍区
后燃烧速率略有下降，但仍维持在较高水平，燃烧持续进行并推动压力波向下游传播。爆燃超压出现与

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