频繁发生的气体爆炸事故严重威胁着工业生产的安全,对此国内外开展了大量研究工作。近年来利用超细水雾抑制气体爆炸成为研究热点,在实验和数值模拟方面均取得了重要进展。然而,超细水雾与气体爆炸过程的相互作用机理尚未形成统一结论。例如,有的研究结果显示超细水雾对气体爆炸具有抑制作用,也有的研究结果显示其对气体爆炸有增强作用。本文以超细水雾抑制甲烷爆炸为研究对象,通过实验与数值模拟相结合的方法,探讨了超细水雾抑制气体爆炸的机理。主要工作和结论如下。(1)设计并建立了超细水雾抑制甲烷-空气爆炸过程的可视化实验系统,包括密闭燃烧室、配气装置、点火装置、水雾生成装置以及测试与控制装置。利用相位多普勒粒子分析仪测定水雾参数,利用高速摄影仪记录火焰动态演变过程,利用高频传感器采集爆炸压力响应,通过程序化语言实现点火与喷雾的自动控制。(2)开展了压力式雾化和超声波雾化两种条件下超细水雾抑制甲烷-空气爆炸的实验研究。压力式雾化方式产生的水雾粒径和速度较大,对火焰面扰动作用较强,导致火焰面面积增大,火焰传播和压力上升速率大幅提高;超声波雾化方式产生的水雾粒径和速度较小,水雾汽化速率较快且对火焰面扰动作用较弱,其综合作用以冷却吸热为主,致使火焰传播和压力上升速率显著降低,并在一定条件下可实现爆炸的完全抑制。(3)研究了两种雾化方式产生的超细水雾对火焰结构的影响。压力式雾化条件下,火焰结构发生明显改变,未能形成明显的“郁金香”火焰;超声波雾化条件下,“郁金香”火焰出现的时刻随着水雾浓度的增大不断增大,且在一定的水雾浓度下火焰发生内在不稳定性,出现“胞格结构”,并经历“胞格形成、发展、减小、消失”四个阶段。(4)在超声波雾化基础上加入碱金属添加剂,研究了添加剂浓度和种类对火焰传播速度和爆炸强度的影响。结果表明:添加剂的加入能够增强超细水雾的抑爆效果,添加剂对爆炸反应的影响程度与添加离子的活性和浓度有关。不同添加剂抑爆的强弱顺序为:K2CO3>KCl>KHCO3>Na2CO3>NaCl;随添加剂浓度的提高,抑爆效果不断增强。(5)建立了描述超细水雾抑制甲烷-空气爆炸过程的三维数值模型,包括水雾的汽化、爆炸流场的湍流流动、燃烧和传热传质等物理过程的耦合。研究了超细水雾与爆炸流场之间的作用机理,分析了不同水雾参数下气液两相间的热量传递、气体浓度稀释和火焰阵面湍流强度,获得了超细水雾对爆炸过程的影响规律,讨论了超细水雾增强与抑制爆炸的根本原因,提出超细水雾增强与抑制气体爆炸的判别条件。