可燃气爆炸事故在生产生活中时有发生,往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。为了摸清可燃气体爆燃泄放特性及破坏效应,本文自主设计研制了2.0m×1.5m×1.5m的大尺度燃气爆炸试验系统,采用高速摄像机记录火焰的传播图像,压力测量系统测试容器内外压力的变化特性,红外热像仪分析外部温度变化规律。研究点火位置、泄放面积、实体障碍物和初始湍流对甲烷气体爆燃泄放过程动力学特性的影响,采用试验、理论与模拟相结合的方法,系统地揭示了爆燃泄放过程压力的形成机制和流场的变化特征,主要内容及结论如下:开展浓度、点火位置和泄放面积对甲烷气体爆燃泄放过程爆炸参数影响的研究,从内部火焰传播特性入手,分析火焰阵面的运动特征和表面变化特性,从而系统地揭示内部压力的形成物理机制和变化规律。研究表明:火焰因热-扩散不稳定、R-T不稳定和流体动力学不稳定刺激火焰阵面出现蜂窝状结构。泄爆过程主要分为开启、Helmholtz振荡和高频振荡阶段,当甲烷浓度接近爆炸上限或下限时,燃烧速度较慢,火焰阵面不发生高频振荡现象,容器内压力为单峰值;而浓度在最佳当量比一定范围内,其压力为双峰值。燃烧产物的体积膨胀速率和泄爆构件的动态力学特性影响泄放开启压力。随着点火位置与泄放口距离的减小,泄放过程产生的Helmholtz振荡幅值越大、持续时间越长,泄放面积减小时,其振荡现象逐渐消弱甚至消失,且高频振荡压力峰值越大。泄放端点火工况下,容器内部出现两个压力峰值;中心点火下,产生单压力峰值和高频振荡压力峰,且高频振荡压力峰值最大;密闭端点火下,均形成三个压力峰值。开展泄爆过程外部压力场变化特性的试验研究,揭示了外部压力形成机理和变化规律,分析了二次爆炸的形成原因及影响因素,建立了内外压力之间的变化关系。研究发现,泄放膜片破裂后,泄放口外形成破膜激波、二次爆炸和高频振荡压力峰。破膜激波与距离呈反比例衰减关系;二次爆炸压力峰值与容器内压力峰值呈线性增加关系;高频振荡压力峰与泄放后期容器内的高频振荡密切相关。在泄放端点火条件下,泄放的高温已燃气体促进破膜激波压力值的增加,泄放面积增加时,泄放瞬间气体温差值较小,其压力值趋于相同;中心点火下,泄放前期能量损失较少,导致泄放后期在外部空间形成的喷射火焰最长;密闭端点火下,泄放大量的未燃气体,在外部产生的燃烧反应区域较大,燃烧波的压力值较大。另外,点火位置距泄放口越远时,外部空间产生二次爆炸的位置距泄放口越远。研究泄爆过程外部空间温度场的变化特性,分析障碍物、点火位置和初始湍流对泄放外部空间温度特性的影响,探讨了火焰与温度场之间的关系,确定外部温度场与内部压力之间的相关性,揭示了泄放过程外部温度场的变化规律和影响因素。结果表明,当障碍物存在时,泄放端点火下,障碍物与火焰阵面耦合作用增强,泄放后期的高频振荡增强和高温持续时间增加;密闭端和中心点火下,障碍物阻碍气体泄放,使泄放过程形成的声波干扰减弱,消弱高频压力振荡、缩短外部高温域的长度和高温持续时间。随着障碍物数量的增加,内部高频振荡压力峰值呈先减小后增加再减小的趋势。强初始湍流状态下,D-L不稳定和热-扩散不稳定作用使得燃烧速率明显增加,导致内部超压峰值较大,泄放口外形成明显的蘑菇云状和较长的高温场。障碍物和初始湍流度对温度峰值几乎无影响。基于试验研究的基础,运用Fluent软件对典型工况下爆燃泄放过程进行数值模拟研究,确定了模拟大尺度容器泄爆过程的湍流燃烧模型及相关参数。通过模拟泄爆过程火焰、速度和甲烷浓度分布等流场的变化规律,分析了点火位置和泄放面积对内部压力峰值的形成机理、外部空间的火焰结构和温度场变化特性的影响。模拟结果很好地重现爆燃泄放过程火焰发展情况及内部压力的变化规律,系统地揭示爆燃泄放过程压力的形成机制和变化规律。基于建筑空间的几何尺寸及试验结果的分析,根据泄爆过程物理的变化特性,对泄爆过程进行微时间段划分,建立燃烧、泄放和压力平衡过程,提出爆燃泄放条件下压力的计算方法,与李克山模型和试验结果进行对比,验证该计算方法的可靠性。结果表明,李克山模型和该计算方法预测泄爆构件开启前的压力变化与试验结果基本一致,分布计算方法能够预测振荡压力峰值,因此,该方法预测大尺度泄爆过程的压力时程曲线效果较好。