爆炸压力是评估事故灾害后果、实施安全防护措施的重要指标。气体爆炸过程中,火焰不稳定会增大燃烧表面积,进而增加爆炸强度。多数的爆炸压力预测模型或假设燃烧热瞬间释放,或假设火焰匀速传播,未考虑火焰失稳传播过程,致使爆炸压力的理论预测值和实验值相差甚大。鉴于此,本研究自主设计、搭建了火焰精细结构和爆炸压力测试系统,采用实验研究、理论分析、数值模拟相结合的方法,揭示了火焰失稳传播和爆炸压力的耦合影响机制,建立了基于动态火焰褶皱因子的爆炸压力预测模型,并对不同尺度下氢气-空气爆炸压力进行理论预测。主要结果和结论如下:(1)揭示了当量比、掺混气体种类、掺混比、初始压力对定压燃烧阶段火焰失稳传播的影响规律。随着初始压力的增加,热扩散不稳定的失稳效应或稳定效应几乎恒定,流体动力学不稳定的失稳效应单调增强。贫燃和当量比Φ=1.0的工况,随着甲烷、氨气掺混比的增加,热扩散不稳定的失稳效应和流体动力学不稳定的失稳效应均逐渐降低;随着丙烷掺混比的增加,有效刘易斯数经历了 至Leeff>1.0的转变,流体动力学不稳定的失稳效应呈“先迅速减小,后几乎恒定”的趋势。富燃工况,随着甲烷、丙烷、氨气掺混比的增加,热扩散不稳定的稳定效应和流体动力学不稳定的失稳效应均单调递减。(2)定容燃烧阶段,随着爆炸压力的升高,热扩散不稳定的失稳效应或稳定效应几乎恒定,流体动力学不稳定的失稳效应迅速增强,进而导致火焰失稳程度加剧。有效刘易斯数Leeff<1.0时,火焰失稳的特征尺度与短波密切相关;有效刘易斯数Leeff≈1.0和Leeff>1.0时,火焰失稳的特征尺度强烈依赖于计算域。另外,定容燃烧阶段的火焰失稳可增加燃烧速率和升压速率,随着甲烷、丙烷、氨气掺混比的增加,火焰失稳传播对燃烧速率和升压速率的增幅呈递减趋势。(3)层流燃烧速度是量化表征燃烧速率和升压速率的关键参数。随着甲烷、丙烷、氨气掺混比的增加,氢气-甲烷-空气、氢气-丙烷-空气、氢气-氨气-空气的绝热火焰温度、热扩散率、活性基团的最大摩尔分数均逐渐减小,上述因素的共同作用致使层流燃烧速度随着甲烷、丙烷、氨气掺混比的增加而单调减小。另外,生成和消耗H基、O基、OH 基最快的基元反应包括 OH+H2=H+H20、H+02=O+OH、O+H2=H+OH、2H+M=H2+M。(4)充分考虑火焰失稳传播和爆炸压力的耦合特性规律,建立了基于动态火焰褶皱因子的爆炸压力预测模型,通用形式如下:褶皱因子(?)△=1.0时,上述模型是光滑火焰模型;褶皱因子(?)△=et且褶皱因子(?)△≤2.46时,上述模型是褶皱火焰模型;褶皱因子(?)△=2.46时,上述模型是湍流火焰模型。光滑火焰模型会低估爆炸压力,湍流火焰模型会高估爆炸压力。褶皱火焰模型可成功预测不同腔室体积下的氢气-空气爆炸压力。