可燃气体主要指在常温常压下呈气体状态且能被引燃的物质，典型可燃气体有甲烷（CH₄）、氢气（H₂）和一氧化碳（CO）等，其中甲烷作为一种优质的燃料^[1]，氢气作为一种清洁无碳能源^[2]，广泛应用于工业、储能、交通及发电等领域^[3-4]。但是，在储存、输送及利用等过程中，容易发生泄漏爆炸事故，造成重大人员伤亡和财产损失。例如，2001年江苏盐城大丰化肥厂“2·27”氢气泄漏爆炸事故，造成5人死亡，1人重伤，直接经济损失200万元；2023年6月21日，宁夏回族自治区银川市兴庆区富洋烧烤民族街店发生一起特别重大燃气爆炸事故，造成31人死亡、7人受伤，直接经济损失5114万元。

为解决单一可燃气体燃烧的局限，工业生产中常将两种或多种可燃气体掺混成混合气体使用。但掺混工艺的应用，使得可燃气体的点火能量、化学反应活性和爆炸极限范围等参数发生改变^[5]，其爆炸危险性难以确定。泄爆技术作为一种高效、经济的爆炸灾害减缓技术措施，被广泛用于各类工业建筑及大型设备等受限空间的爆炸防控当中。当受限空间内部因爆炸产生的压力过高时，开启泄爆装置，将空间内部的压力降低到允许值，从而最大限度地保护建筑物和设备结构。深入研究泄爆技术对可燃气体爆炸控制具有重要的现实意义，将在保障工业安全、提高应急响应能力以及推动安全科技的进步等方面发挥重要作用。基于此，对可燃气体泄爆问题的研究现状进行系统性的整理归纳，指出当前研究存在的相关问题，并对未来的发展趋势进行展望，以期为今后研究可燃气体的爆炸和泄爆问题提供重要参考。

1.   爆炸特性

1.1   爆炸极限

可燃气体处于爆炸极限范围内会发生爆炸，同时，可燃气体的爆炸极限又因环境条件的影响而发生变化。部分学者对特殊环境条件下可燃气体的爆炸极限进行了针对性研究，如Schröder等^[6]对初始压力为20 MPa条件下的H₂爆炸极限进行了测定，发现随着压力的增大H₂的爆炸上限呈现先增大后减小的变化趋势，揭示了H₂的“压力反常性”现象在纯氧环境中同样存在。张增亮等^[7]对200 ℃下十氢萘的爆炸极限进行实验测定，发现其爆炸上限（upper explosion limit, UEL）和爆炸下限（lower explosion limit, LEL）与最大含氧量的最大值和最小值一一对应。Liu等^[8]试验研究了不同初始温度和初始压力对H₂爆炸下限的影响，随着初始压力和温度的增大，H₂的爆炸下限降低，爆炸危险性增大；而相同初始压力下，随着温度增大，H₂的爆炸下限变化的幅度小，具体数据见表1。朱丕凯^[9]研究了环境条件对CH₄爆炸极限范围的影响，发现环境因素的变化对CH₄爆炸上限的影响明显优于对爆炸下限的影响，同时指出环境压力对CH₄爆炸极限浓度的影响最明显，其次分别为环境温度、点火能量和环境湿度。喻健良等^[10]研究了C₂H₂爆炸极限在高温与高压作用下的变化规律，发现初始温度和初始压力同时升高，C₂H₂爆炸极限范围扩大，初始温度和初始压力对爆炸上限影响远大于对爆炸下限的影响。

表  1  不同初始压力和温度条件下H₂的爆炸下限^[8]

Table  1.  Lower explosion limits of H₂ under different initial pressure and temperature conditions^[8]

初始压力/MPa	爆炸下限/%
	21 ℃			40 ℃			60 ℃			75 ℃			90 ℃
	氢气	空气		氢气	空气		氢气	空气		氢气	空气		氢气	空气
0.1	4	96		4	96		4	96		4	96		4	96
0.2	2	98		1.5	98.5		1.5	98.5		1.5	98.5		1.5	98.5
0.3	1.67	98.33		1.33	98.67		1.33	98.67		1.33	98.67		1.33	98.67
0.4	1.25	98.75		1.25	98.75		1.25	98.75		1.25	98.75		1.25	98.75

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基于混合可燃气体的大量使用，部分学者对多元混合可燃气体在不同掺入比例、环境因素等多条件作用下的爆炸极限进行了研究。李增华等^[11]、Zhang^[12]和万小刚等^[13]借助爆炸实验装置，研究了CH₄/H₂混合物的爆炸极限，发现H₂的掺入会使得CH₄混合气体爆炸下限降低，CH₄爆炸危害性提高，表2展示了掺氢比（ϕ）对CH₄爆炸极限的影响。Molnarne等^[14]测量了不同初始条件下H₂与CH₄混合气体的爆炸范围，发现CH₄/H₂混合物的爆炸上限随着初始压力的增大脱离了Le-Chatelier法则的预测值。

表  2  氢气/甲烷混合气体的爆炸情况^[11]

Table  2.  Explosion of hydrogen/methane mixed gas^[11]

ϕ(H2)/%	ϕ(CH4)/%	是否爆炸		ϕ(H2)/%	ϕ(CH4)/%	是否爆炸
0.5	3.65	是		1.0	3.00	是
	3.55	是			2.50	是
	3.40	是			2.00	是
	3.25	是			1.50	是
	3.00	是			1.25	否
	2.70	是		1.5	1.60	是
	2.40	是			1.30	是
	2.25	否			1.20	是
					1.00	否

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学者们基于大量爆炸极限实验数据，开展了对可燃气体爆炸极限的评估研究。郑立刚等^[15]建立了混合可燃气体爆炸极限非线性预测模型，预测了H₂、CO及CH₄在不同掺混比例下的爆炸极限。胡锐等^[16]对H₂、CO和CH₄的单元、双元与多元混合气体的爆炸特性进行了较系统的研究，测定了爆炸极限等爆炸特性参数，并构建了多元混合气体爆炸极限的预测模型。Su等^[17]则研究了N₂的掺入对CH₄/H₂混合物爆炸极限的影响，结果如图1所示，N₂的加入使CH₄/H₂混合物的爆炸极限两端缩短，当掺氢比大于0.3时，N₂的稀释对预混燃料的影响更明显。马秋菊等^[18]开展了多元混合可燃气体爆炸极限的理论预测研究，建立了“多种可燃气体与多种惰性气体”和“可燃气体、惰性气体与氧气”2种数学理论预测模型，涵盖了多种可能性，具有较广泛的应用性。吴华杰等^[19]对H₂爆炸极限的不同预测模型进行研究，其中采用支持向量机算法可以更准确地预测气体爆炸极限范围。

图  1  不同掺氢比下CH₄/H₂混合物在不同N₂浓度中的爆炸上下限^[17]

Figure  1.  Upper and lower explosion limits of CH₄/H₂ mixtures at different N₂ concentrations with different hydrogen doping ratios^[17]

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学者们研究得出不同初始条件下的单一及混合可燃气体的爆炸极限变化规律，对可燃气体爆炸极限的预测模型开展了较为成熟的研究。由于爆炸极限研究受实验条件限制，环境参数变化范围难以涵盖工业生产的实际应用，多元混合可燃其气体的爆炸极限评估体系难以构建。因此，亟需开展多元混合可燃气体的爆炸敏感性预评估研究，从而构建多因素耦合作用下爆炸极限预测模型，为工业防爆设计提供理论支撑。

1.2   爆炸超压参数

学者们通过建立不同模型、采用不同方法来测量可燃气体爆炸超压参数（最大爆炸压力、最大压力上升速率、爆炸强度指数等），以此来衡量可燃气体爆炸危险性。胡芳芳等^[20]在方形爆炸容器内对不同浓度下C₂H₂的爆炸参数进行了研究，发现C₂H₂的最大爆炸压力随浓度的增大先迅速增大再缓慢下降，当C₂H₂浓度到达14%时，爆炸压力达到最大值。张发等^[21]在20 L球内对以C₄～C₁₂环烷烃和脂肪烃为主的油气进行爆炸强度实验研究，发现随着点燃延迟时间的增长，最大爆炸压力的上升速率呈现出先上升后下降的趋势。杜杨等^[22]和蒋新生等^[23]对不同位置分支管道情况下的油气爆炸强度进行测定，发现当油气浓度在1.2%～1.6%时，分支管道对直管内的爆炸超压和升压速率有强化作用，并且距离点火端越远，强化作用越显著。Cui等^[24]运用不同尺寸下的球形容器进行CH₄爆炸实验，得出改变容器尺寸不会改变最大爆炸压力，但最大压力上升速率随容器直径的增大先增大后减小；而随着球形容器内连接管长度的增加，不同尺寸容器内CH₄的最大爆炸压力及最大压力上升速率均呈线性关系减小。尹旺华等^[25]通过模拟与实验手段研究了在有障碍物条件下的石油蒸气云爆炸过程，分析得出刚性障碍物诱导的湍流加速了燃烧过程，从而加大了可燃气体的爆炸强度。

上述学者们从不同初始条件、不同容器模型及内置障碍物等因素对单一可燃气体的爆炸强度进行了测定，而可燃气体的掺混也会改变单一可燃气体的爆炸参数。马秋菊等^[26]在20 L标准球形爆炸罐内开展了当量比为1的CH₄/H₂混合气体爆炸实验，通过研究发现，H₂比例越高，爆炸冲击波传播速度越快，且相同当量比条件下，H₂的爆炸强度指数近似为CH₄爆炸强度指数的10倍。Jia等^[27]对不同形状管路各位置爆炸强度随掺氢比的变化规律进行了实验研究，发现爆炸压力到达爆炸峰值后，由于促进效应消失，H₂占比的增大，最大爆炸压力呈先增大后不变的趋势。Tran等^[28]通过实验和数值模拟的方法研究了H₂、CO和空气的合成气在圆柱形容器内的爆炸特性，得出了不同H₂体积分数及当量比条件下爆炸强度的变化规律，高H₂体积分数的爆炸时间更短，爆炸强度更大，爆炸危险性更高。邓军等^[29]采用标准k-ε模型对多元混合可燃气体爆炸压力峰值进行了数值计算，结果表明添加H₂后会明显增大混合可燃气体的爆炸压力峰值，且H₂的加入会使得CH₄的爆炸强度和危险性提高。部分学者还从化学动力学机理方面探究H₂掺入对爆炸强度的影响，如贾宝山等^[30]基于CH₄燃烧化学动力学详细机理，就CO、H₂对CH₄爆炸的影响进行了模拟分析，研究表明H₂的增加产生了高活性的H自由基，使得H自由基与O自由基更容易反应生成OH自由基，加速氧化反应从而缩短CH₄引爆时间，增大爆炸强度。可以看出CH₄/H₂混合物随着H₂掺入比例的增加，爆炸危险性也大幅度增大。

混合可燃气体爆炸强度不仅受掺混比例的影响，还受初始压力、初始温度等条件影响。Li等^[31]利用实验和数值方法研究了氢气掺入量与初始压力对CH₄/H₂/空气混合物爆炸压力的影响，当掺入少量氢气时，随着初始压力的增大，最大爆炸压力和最大压力上升速率均显著增大。Cammarota等^[32]、张春燕等^[33]和Zhang等^[34]通过实验和数值模拟方法研究了初始压力对CH₄/H₂混合气体爆炸强度的影响，结果如图2所示，随着初始压力的提高，CH₄/H₂混合气体最大爆炸压力及其上升速率也随之提高，随着H₂占比的增大，CH₄/H₂混合气体最大爆炸压力及其上升速率均呈先增大后降低的趋势。高娜^[35]分析了不同初始压力和初始温度对CH₄爆炸的影响，发现初始压力的升高可以提高CH₄爆炸最大压力上升速率，而初始温度需达到200 ℃后，最大压力上升速率才会随着初始温度的提高而明显提高。

图  2  最大爆炸压力及最大压力上升速率随初始压力变化^[33]

Figure  2.  Variation of maximum explosion pressure and maximum pressure rise rate with initial pressure^[33]

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为探明多元混合可燃气体爆燃事故的危害性，学者们用不同预测模型对可燃气体的爆炸特性进行预测。王振兴等^[36]通过数据模拟的方式计算了CH₄/H₂混合气体爆炸基元反应时的参数。研究表明，爆炸反应速率随H₂掺入比的增加而显著增大，随后增速逐渐放缓；当掺氢比达到一定阈值后，进一步增大掺氢比，对爆炸反应速率的影响趋于平缓。实际爆炸中各种因素变化会对预测模型造成巨大误差，为能进一步精准预测可燃气体爆炸超压，迟明华等^[37]采用Henrych模型、Mills模型、TNO多能法、等效TNT当量数值模拟方法和混合气体模拟方法等对输气管道泄漏爆燃超压进行了预测，发现采用TNO多能法和混合气体模拟方法得到的超压与实际超压吻合较好，由于混合气体模拟方法操作复杂且计算成本高，在实际模拟上优先使用TNO多能法对蒸气云爆炸进行预测。

现有研究表明，可燃气体的爆炸超压特性受初始条件、容器几何尺度及形状等因素的显著较为影响，其中单一环境因素对爆炸超压参数的影响机制已建立较完善的研究框架，但目前研究仍存在诸多局限。首先，多元环境参数耦合作用对爆炸超压演化规律的定量影响缺乏实验数据支撑；其次，当前多元混合可燃气体灾害预测模型机理较复杂、计算时效性较差以及与实际应用有一定的脱离等，这些不足限制了其在实际爆炸强度定量评估中的工程应用价值。

1.3   爆炸火焰

为探究不同因素下火焰速度等参数的变化规律，学者开展了一系列研究。仇锐来^[38]在试验巷道内对不同点火能量下的CH₄爆炸火焰进行研究，发现火焰速度从起爆位置开始随着距离加长而逐渐增大，并且火焰速度随着点火能量的增大而增大，分别得出了火焰传播速度与巷道长度及点火能量的函数关系。王文涛等^[39]在不同当量比下对C₂H₂/空气的火焰传播速度和层流燃烧速度进行了实验研究，提出由于C₂H₂在低浓度燃烧过程中H自由基含量较小，而在高浓度燃烧的反应过程会缺少O₂，火焰速度随着当量比的增加呈现先增大后减小的趋势。Yu等^[40]详细研究了刚性障碍物和柔性障碍物对爆炸火焰传播的影响，发现障碍物会影响未燃烧流场，由于反射了压力波导致火焰前方发展极其不稳定。

对于混合可燃气体来说，爆炸火焰的形成和发展受多种因素影响，学者们为了解爆炸火焰形成和发展规律，开展了不同条件下混合可燃气体爆炸火焰传播行为研究。Vu等^[41]通过实验研究证实了在CH₄/H₂/空气混合物中，H₂对爆炸火焰传播存在促进作用，其结果为，在火焰不稳定开始之前，拉伸的层流燃烧速度随火焰拉伸速率近似呈线性变化；在火焰不稳定开始后，火焰前沿细胞的快速发展导致火焰前沿面积增加，使得火焰传播速度急剧升高。Okafor等^[42]实验研究了不同当量比、不同体积分数的CH₄/H₂混合气体层流预混火焰传播速度变化情况，得出一定当量比下，混合物中H₂含量越高，火焰传播速度越快。朱红钧等^[43]通过研究管道中CH₄/H₂爆燃过程，发现H₂的含量越高，燃烧发生的越早，火焰传播的速度越快，燃烧反应时间越长。喻健良等^[44]探究了贫燃条件下H₂对CH₄/H₂混合气体火焰传播的影响，结果表明，在贫燃条件下，当量比变化对火焰速度的影响更加显著。

多种可燃气体的掺混不仅会影响火焰传播速度，还会对火焰形状和火焰范围有不同程度的影响。Guo等^[45]研究了微受限燃烧空间中添加H₂的CH₄/空气火焰特性，得出当H₂添加率达到50%时，可以有效地将CH₄/空气在微受限空间中的稳定燃烧范围扩大约20%。Zheng等^[46]实验和模拟研究了H₂添加对CH₄/空气预混气体火焰传播特性的影响，表明H₂添加会影响火焰形状。Kim等^[47]用肥皂泡和矩形塑料薄膜包裹可燃气的方法研究了H₂/空气预混气体在开敞空间爆炸的火焰传播行为，如图3所示，在稀氢-空气混合物中火焰通过扩散热不稳定性传播，而富氢-空气混合物中的火焰在早期平稳、球形传播，但当火焰前部达到浓度分布的非均匀过渡区时，后期的火焰被强烈地褶皱和加速。Yu等^[48]在内含障碍物的封闭管道里向CH₄/空气里掺入CO，探究了不同CO掺入比例下混合可燃气体爆炸火焰形状发展状况，发现当火焰穿过第2个窗口后由于湍流影响变成了光滑的指状火焰，在第3个窗口变成了皱褶火焰，第4个窗口变成了“郁金香”火焰，并且随着CO与CH₄掺入比例的增加，火焰构型变得更轻、皱褶更多，火焰随着CO掺入比例的提高而更明亮。

图  3  不同H₂-空气当量比下的火焰传播纹影图^[47]

Figure  3.  Flame propagation schlieren at different H₂-air equivalence ratios^[47]

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综上所述，现有研究系统阐释了单一及混合可燃气体的爆炸火焰演化规律，揭示了多物理因素对火焰动力学行为的影响机制。在含障碍物的封闭空间中，压力波（尤其是反射压力波）与火焰的耦合作用将诱发显著的火焰失稳现象，然而当前的研究尚未系统考察障碍物材料热物理属性（如比热容、导热系数、热膨胀系数）对火焰与压力波协同演化过程的作用机制。

2.   泄爆特性

2.1   泄爆压力

泄爆技术就是在爆炸发生时利用泄爆装置及时地将爆炸超压从容器内泄放出去，从而起到降低爆炸威力、减小爆炸损失的一种方法。泄爆面参数是直接影响泄爆压力特性参数的主要因素之一，庞磊等^[49]在大尺寸密闭空间内研究了不同泄爆面参数对爆炸超压的影响规律，得出了泄压比与外部压力强度成正相关的结论，结果如图4所示。孙松等^[50]运用大尺度泄爆构件对C₂H₄泄爆进行研究，发现大尺度泄爆可能会引起外部空气回流进入密闭空间发生二次爆炸，并提出不能为追求泄爆效果而随意增大泄爆面积。为研究泄爆过程中不同开启压力下内、外流场耦合作用对压力参数的影响，吕鹏飞等^[51]研究了泄爆面开启压力对CH₄爆燃压力的影响，得出水平管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应，随着泄爆面开启压力的增加，水平管道内压力积聚作用占主导地位。陈昊等^[52]对泄爆管道中H₂/CH₄/空气混合气体在不同开启压力条件下的泄爆内、外流场进行研究，发现泄爆口最大爆炸超压随着开启压力呈线性增加，并发现未燃气体排出到外流场后发生了外部爆炸，从而进一步影响了内部爆炸，产生了多个压力峰值，当开启压力大于31 kPa时，这种影响明显衰弱。

图  4  开启压力为30 kPa时压力峰值的分布^[49]

Figure  4.  Distribution rule of pressure peak when opening pressure is 30 kPa^[49]

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泄爆压力还受点火位置、可燃气体浓度、阻塞率等因素的影响，部分学者通过开展一系列的泄爆实验和模拟，来探究不同影响因素下泄爆特性参数的变化规律。Qiu等^[53]在一个4.5 m³的方形室中进行了爆炸泄放试验，以调查内部和外部压力特性及其相关性，结果表明，点火位置对泄爆压力影响不明显，但对亥姆霍兹震荡和高频振荡压力有显著影响。郝腾腾等^[54]在12 m×2.5 m×2.5 m的容器中开展了一系列的泄爆实验，认为在实验范围内，容器位移峰值受H₂体积分数影响显著，且随着气体体积分数增大而增大。田雷等^[55]研究了工业弯管中泄爆口位置对爆炸压力的影响，不同泄爆口位置的泄压程度不同；随泄爆口位置和点火点之间的距离的增大，泄爆后弯管处最大爆炸压力先减小后增大。张庆武等^[56]通过研究得出泄爆导管越长，泄爆容器内的正压力峰值和负压力峰值越大，且无论有、无导管，容器内的压力峰值均随破膜压力增加而增加，但正、负压力峰值的差值越来越小。Tomlin等^[57]在182 m³建筑物内研究了泄放尺寸和阻塞率对大尺寸空间内天然气爆炸泄放的影响，发现如果没有足够大泄爆尺寸及时排放，仅仅0.57%的阻塞率就能导致较大的超压。Cao等^[58]利用实验和数值模拟研究了CH₄浓度和泄爆压力对CH₄空气爆炸泄压过程的影响，发现随着CH₄浓度的增加，内部峰值超压先增大后降低；随着泄爆压力的增大，其对泄爆后的压力峰值的影响逐渐减弱。Chen等^[59-60]借助数值方法和大尺度实验装置研究了H₂爆炸的泄放过程，系统考察了泄爆面特征、掺混方式等对内部超压峰值p_ext的影响规律，发现在大型容器内，预混可燃气体的泄爆过程受泄爆口方向及泄爆口数量影响较小。对于分层可燃气体来说，上层泄爆口的最大爆炸超压高于侧壁泄爆口的最大爆炸超压，且泄爆口数量的增加，降低了爆燃过程中的最大超压。

当前研究已揭示了可燃气体泄爆过程中关键特性参数（如超压峰值、火焰速度）在初始条件、容器构型及泄爆方式等影响下的演化规律，为泄爆装置设计与应急防护提供了数据支撑。但受爆炸危险性及泄爆模型的制约，内、外流场在多因素耦合作用下的参数协同演化机制尚未建立系统模型；现有实验设备难以覆盖所有工况，亟待升级以填补关键数据缺口；对多元混合可燃气体泄爆过程中多压力峰值的非稳态生成机制认知不清，尚需基于多因素协同作用开展系统性研究。

2.2   泄爆火焰

为探明泄爆过程中的火焰发展机理，学者们通过实验和数值模拟相结合的方法开展了一系列的研究。路长等^[61]研究了不同泄爆面积下CH₄爆炸双向传播规律，实验结果如图5所示，得出泄爆面积与火焰传播速度成正比的结论。姜孝海等^[62]通过实验研究了高开启压力条件下的泄爆过程，利用外部爆炸压力时程曲线和火焰传播图像解释外部爆炸的发生机理，发现外流场的可燃气体被射流火焰点燃时，发生剧烈的湍流燃烧，压力迅速上升形成爆炸。张嘉玮^[63]利用数值模拟的方法研究了不同泄爆面积和泄爆压力下泄爆火焰的发展情况，研究表明，泄爆压力增大导致泄放火焰初速度增加、传播距离增大；泄爆口直径增大则使外部高温火焰区域显著扩张。时静洁等^[64]通过模拟研究得出，大孔径泄爆口造成火焰锋面在通过泄爆口时发生严重畸变，点火端与泄爆口距离的增加会削弱火焰锋面的畸变程度。宋双林等^[65]研究了不同泄爆位置对CH₄/空气爆炸特性的影响，发现随着泄爆口与点火源距离的增加，爆燃火焰传播峰值速度呈现逐渐增加的变化规律。钟委等^[66]研究了泄爆夹层内障碍物位置对燃气泄爆效果的影响，火焰邻近不同位置障碍物时，其结构特征发生显著变化，且对传播速度的影响程度存在显著差异；当障碍物距离泄爆窗较近时，两者将协同影响火焰传播，部分结果如图6所示。

图  5  不同左端泄爆口面积下的爆炸火焰传播图像^[61]

Figure  5.  Images of explosion flame propagation on the conditions of different venting areas at left ends^[61]

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图  6  不同工况下火焰传播^[66]

Figure  6.  Flame propagation under different working conditions^[66]

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现有研究围绕泄爆面积、泄爆压力、泄爆距离等因素，揭示了可燃气体泄爆过程中火焰的动态演变规律，并探讨了不同泄爆方式对火焰发展的影响。然而，目前研究在外部火焰动力学方面较为薄弱，且尚未充分考察泄放过程伴随的湍流及内部流场对火焰发展的影响机制。

2.3   泄爆压力波与火焰波的耦合作用

泄放的高速火焰点燃被泄放的未燃气体产生多重压力波，而压力波不断叠加发展会间接影响火焰发展的方向和形状。为揭示泄放过程中压力波与火焰相互作用的动态反馈机制，唐泽斯等^[67]利用自主搭建的气体泄爆容器动态力学响应测试系统，分析了CH₄/H₂混合气体泄爆过程中内部超压、火焰演化与泄爆容器的振动响应之间的关系，探讨了泄爆容器内爆炸超压与火焰发展对舱内振动幅值的影响。Guo等^[68]研究了圆柱形容器内泄放压力对CH₄爆炸泄放过程的影响，发现随着泄放压力的增大，最大超压几乎线性增大，从而造成外部火焰最大长度增大，持续时间减小；火焰发展迅速，导致亥姆霍兹震荡周期略有减小。陈先锋等^[69]利用自主搭建的连接容器，研究了不同阻塞比（刚性障碍物）与厚度（柔性障碍物）对CH₄泄爆过程中爆炸压力的影响规律，超压峰值与最大升压速率随阻塞比及障碍物厚度的增大而显著提升。柔性障碍物破裂后形成的高速喷射火焰提前引燃外部流场中的未燃气体混合物；同时，增厚的阻隔膜导致破裂时间延长，破裂后升压速率更快，结果如图7所示。

图  7  刚（左）/柔性障碍物（右）下容器内的爆炸超压与最大升压速率曲线^[69]

Figure  7.  Explosion overpressure and maximum pressure rise rate curve in spherical container under the condition of rigid (left)/flexible obstacle (right)^[69]

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学者通过研究得到了泄爆过程中火焰发展与压力变化规律，对现实泄爆提供了有效的数据支持，在此基础上，开展了对泄爆效果的研究。高伟等^[70]对单壳网壳进行研究，能够有效地描述单层球面网壳在内爆炸下的损伤模态，并得出单层球面网壳在内爆炸下的泄爆阀值计算方法，从而评价不同方式下泄爆效果的优劣。韩晓琪等^[71]对不同尺寸的泄爆片进行泄爆实验，提出了泄爆效率的概念，通过压力法测试泄爆片的静开启压力，通过直接比较法测试了泄爆片的泄爆效率，并得到了泄爆效率的计算公式。金友平等^[72]基于重大事故场景的受限空间内燃气泄漏情景模拟，研究了泄爆位置、泄爆压力及泄爆面积等对泄爆效果的影响规律，发现相较于优化泄爆位置或降低开启压力，增大泄爆面积对提升泄爆效果作用更为显著。

3.   泄爆外流场二次爆炸

3.1   诱发因素

约束空间内气体爆炸泄放诱发的外部剧烈化学反应并非都是爆炸现象，旦在特定条件下可发生由燃烧向爆炸的转变。当可燃气体泄放时，部分未燃压缩气体随着泄爆口泄出容器，通过扩散达到爆炸极限，被泄放火焰点燃，发生外流场二次爆炸，二次爆炸效果如图8所示。二次爆炸作为泄爆过程中的异常现象，会导致外部爆炸超压、温度急剧变化，外流场的火焰与压力变化还会导致内流场火焰与压力得到再次发展。为此，国内外学者对泄爆过程中的二次爆炸现象进行了研究。崔东明等^[73]采用用压力测量与YA-16高速阴影系统同步测量方法对CH₄-空气混合气体的泄爆过程进行实验研究，认定在破膜激波产生的第一个压力峰值之后，紧接着出现第二个压力峰值，此时认为外部发生了二次爆炸；发现二次爆炸过程中，破膜激波表现出持续衰减的趋势，而二次爆炸波则展现出先增强后衰减的演变特征。Kodakoglu等^[74]在利用圆柱形容器开展泄爆实验时发现，高速泄放的C₃H₈由于卷带大量的空气而降低了反应活性，并在强烈湍流作用下可能出现淬熄现象，导致泄爆过程不会发生二次爆炸。Luo等^[75]借助37.5 m³的大尺度爆炸装置研究了点火位置、障碍物、泄爆口位置、浓度对H₂爆炸泄放的影响，但均未观测到外部爆炸现象，推测二次爆炸的产生可能与模型尺寸有关。耿继辉等^[76]建立了泄爆外流场的物理模型，模拟研究了不同当量比下CH₄泄爆后激波的变化，泄爆导引管长度小于0.15 m时将无法引发二次爆炸，表明泄爆导引管尺寸直接影响二次爆炸的发生。Wang等^[77]利用数值方法研究了室内CH₄爆炸泄放诱发外部爆炸的形成过程，结果表明，可燃气体在室内外压差作用下经泄爆口被高速喷出，并在室外形成可燃气云，当火焰到达室外时，就可能诱发外部爆炸。陈晔等^[78]通过数值模拟研究了H₂泄爆过程中外部爆炸的形成机制、超压分布规律与危害范围，得出当泄爆口较大时，受限空间H₂泄爆会导致外部较大体积可燃气云的形成，进而被喷出火焰引燃，产生外部爆炸。通过模拟还发现，相比于中心点火，后端点火时火焰在实验舱内部的传播路径更长，更多的未燃混合气被泄放到外部空间，并在距泄爆口一定范围内形成可燃气云，从而更易发生二次爆炸。Sun等^[79]通过实验和数值模拟研究了铰链式旋转通风罩对C₂H₄泄爆的影响，研究发现铰链泄爆门的使用显著减小了泄放动作引起的湍流和二次爆炸的风险。姜孝海等^[80-83]利用柱形泄爆容器，通过高速摄影、纹影和干涉等实验可视化技术，记录泄爆外流场信息，讨论了外部爆炸形成机理及影响因素，认为高压泄爆过程中形成二次爆炸的主要步骤为，高压未燃气体泄出后形成含有Mach干的可燃云团，并随着火焰以射流形式喷出点燃可燃云团且外部具有足够大的压力和湍流强度的Mach干区域被点燃从而形成二次爆炸。同时阐明了二次爆炸中多压力峰值的生成源于多因素耦合效应，其本质在于湍流/火焰/压力波耦合作用的非线性反馈机制，而非单一因素主导，这一发现为建立二次爆炸灾害定量预测模型提供了关键理论依据。

图  8  可燃气体泄爆过程中的二次爆炸火焰高清图像

Figure  8.  High definition image of secondary explosion flame during combustible gas explosion venting

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3.2   二次爆炸强度

学者们研究了不同泄爆条件对二次爆炸强度的影响。泄爆面积不仅会改变容器内的压力和火焰发展变化，还影响了外部的二次爆炸过程。Proust等^[84]通过研究发现，若泄放口面积超过容器内表面积20%，则外部爆炸将主导容器内部压力动态，且外部气体点燃后形成的“火球”的膨胀速度取决于外部气云的传播速度，而不是混合物的反应性。马秋菊等^[85]和Ma等^[86]通过数值模拟研究了泄爆面积对外部爆炸的影响，得出大的排气口区域在容器外部具有更大的高压区域、更高的压力和流体湍流强度，这导致更强烈的爆炸强度。同时，泄放容器的形状是影响二次爆炸强度的因素之一，尤其在管道中影响较为明显。Wang等^[87]研究了CH₄/H₂混合物的泄爆过程，实验结果表明，泄压管道中的二次爆炸显著影响了泄爆过程，会造成更大的危害。Yang等^[88]采用小尺度罐体研究了H₂爆炸泄放过程，考察了泄放导管长径比和浓度对外部爆炸超压及火焰传播的影响，发现外部峰值超压随浓度增加而增大，随长径比增加则先增大后减小。Zhang等^[89]在3 m长的阻塞管道中进行H₂泄爆实验，得出了外部爆炸产生的超压峰值随破膜厚度和当量比的变化规律。

外部二次爆炸强度显著受泄爆压力及其达到阈值后的泄爆口开启时间影响。Pang等^[90]通过数值模拟研究发现，泄爆面开启至二次爆炸产生的时间间隔随开启时间增加而缩短，二次爆炸的强度随开启时间增大呈现先增强后减弱的趋势。Rui等^[91]借助1 m³的爆炸腔室研究了前壁点火时泄爆压力对H₂爆炸泄放外部火焰特征的影响，发现泄爆外流场的火焰传播速度随着泄爆压力的增大而增大。

杜志敏^[92]研究了CH₄/空气泄爆过程中的二次爆炸现象，系统分析了二次爆炸的成因，发现在当量比为1、尾部点火方式和低泄爆压力3种类型条件下更易发生二次爆炸现象；依据二次爆炸发生位置，建立了类型划分标准。李文炜等^[93]分析了爆炸事故中二次爆炸的发生情况，根据实际案例建立物理模型，得出二次爆炸的产生增大了爆炸范围和爆炸危害的结论。

现有研究采用实验与数值模拟的方法，揭示了多因素作用下二次爆炸的演化规律，初步构建了其分类体系，阐释了不同初始条件对爆炸强度的影响规律，并建立了量化灾害效应的物理模型。目前仍存在外流场二次爆炸的起爆判据缺乏定量标准，难以建立完善的分类体系，数值模型过度简化等问题，危险工况的深入研究难以实现，灾害预测模型仍有待完善。

4.   存在的问题

近年来，学者研究了不同初始条件（浓度、温度、压力等）对单一及多元混合可燃气体的爆炸极限、爆炸超压以及火焰等参数的影响。得出了不同泄爆条件下的火焰形状、速度以及超压峰值变化规律，分析了二次爆炸的形成过程及点火位置、气体浓度等条件对二次爆炸的影响。同时，构建了相应的理论或数值模型，旨在对二次爆炸的危害程度进行定量评估与预测。但针对可燃气体爆炸泄放动力学和外部流场二次爆炸的研究，目前仍存在以下问题。

(1)在可燃气体爆炸特性研究方面，爆炸极限研究受实验条件限制，环境参数变化范围难以涵盖工业生产的实际应用，多元混合可燃气体的爆炸极限评估体系难以构建。多元环境参数（温度、湿度、湍流等）的耦合作用对压力演化定量影响缺乏实验数据支撑，进而限制了现有预测模型在爆炸强度定量评估中的工程适用性。多因素耦合作用下火焰失稳的演化规律及火焰对爆炸强度的反馈作用缺乏深入系统的研究，需要开展进一步的研究工作。

(2)在可燃气体泄爆特性研究方面，在现有实验平台条件下，难以实现对复杂工况的研究，内、外流场在多因素耦合作用下的参数协同演化规律尚未阐明。混合体系燃爆过程中多压力峰值的非稳态生成机制认知不清，缺乏基于多物理场协同效应的系统性实证研究。另外，泄爆效果没有统一的定量化表征方法，泄爆效果与泄爆设计之间经验关系的准确性还有存疑。

(3)在外部流场二次爆炸研究方面，尽管已有研究对不同工况下外部二次爆炸的宏观演化特征（如发生位置、爆炸强度、火焰形态等）进行了探讨。但依然缺乏对二次爆炸临界条件（例如最小局部可燃浓度阈值、关键湍流强度/尺度）的定量研究，在不同因素作用下二次爆炸的内在发展机制还待揭示。二次爆炸强度受多种因素影响，但现有研究仅聚焦单因素分析，未建立多参数动态耦合模型。

5.   展　望

(1)深入探索可燃气体爆炸风险与致灾机理。构建环境因素可控的实验平台，通过结合高速光学设备、多因素同步检测技术等，实现压力、温度、湿度及湍流等环境因素的同步精准量化表征；研究多参数耦合对多元混合可燃气体爆炸极限、压力与高温火焰演化的影响，揭示爆炸超压与细观火焰耦合动力学机制；结合软件模拟，研究活性自由基及关键产物生成及消耗规律，进一步揭示多元混合可燃气体爆炸致灾机理及各因素的影响规律，完善多元混合可燃气体爆炸参数数据库。

(2)深化可燃气体泄爆超压及火焰演化规律研究。研究揭示泄爆过程中各压力峰值的产生机制，得出泄爆内、外流场超压和火焰的时空演化规律；构建泄爆超压与火焰预测模型，阐明泄爆超压与高温火焰之间的耦合影响机制，以此实现内、外流场动态耦合解析；研究确定泄爆效果定量表征方法，得出多因素对泄爆效果的影响规律，以此建立效果评估与泄爆设计的定量映射关系。

(3)解析泄爆外流场二次爆炸起爆判据及形成机制。研究不同因素作用下泄爆外流场二次爆炸形成规律，确定触发二次爆炸的主导因素及临界条件；构建精细化的数值模型，通过研究建立二次爆炸的起爆判据，结合外部流场爆炸泄放特征及二次爆炸形成时的细观流场分布演化特征，揭示多因素触发可燃气体泄爆外流场二次爆炸的形成机制。