在局限火焰的发展阶段选择合适的管道阻火器,应根据火焰的速度和压力,以及可预期的管道中火焰的强烈程度。经过对管道中的火焰传播进行研究后发现,如果管道足够长,燃烧足够快且能量充足,火焰会经历七个不同的阶段或时期。
火焰沿无限长的管道传播时,火焰各点的速度和压力,如图 10 所示。应注意的是,瞬时的压力高峰,可由沿管道设置在每个点上的快速反应压力表显示出来。从点燃点开始,火焰所经历的几个阶段,由 A-F 标示出来。

图 10 点燃源在一条长管道的封闭段,火焰头各点的压力和速度示意图
低压爆燃
只要火焰头的压力,在扩大的交界层产生的最低压力下,火焰以低于音速的速度传播,这种情况就被称为低压爆燃(图11)。这一阶段,速度一般可达到每秒 112 米,而绝对压力 DP/Po)相对增加到 1(假设最初为大气压力,表压低于 100kPa(g))。火焰传播的最初状态在一个短管段中展开,例如,对于丙烷和空气混合气,管段的长度约为 3 米。对于氢气,从点燃点开始,在长约 1.0 米的管段中,氢气处于低压爆燃状态。
(DP/Po 是在管道系统中,当以阻火器一侧为点燃源时,测量到的爆燃和爆轰测试的无量纲比;其中 Po 是系统初始的绝对压力,DP 是测量到的绝对压力减去 Po)
中压爆燃
当火焰继续沿管道传播时,其强度不断增加到中压爆燃的动力学状态。火焰速度较高,但仍是亚音速 - 约达 200m/s火焰的压力脉冲达到中度水平,DP/Po 达到 10。对于丙烷和空气混合气,在室內条件下,从点燃点开始,火焰经过从 3 米到 10 米这个距离时,处于中压爆燃状态。相比较之下,氢气从点燃点开始,在 1 米和 2.5 米之间的距离处,处于中压爆燃状态。
高压爆燃
超岀中压爆燃的限度,传播中的火焰达到高压爆燃状态。火焰头的速度(仍是亚音速)达 300m/s,而因扩展的交界层产生的压力使 DP/Po 高达 20。对于丙烷和空气混合气而言,从点燃点开始,出现高压爆燃的距离是在管段 20-30 米之间;而对氢气和空气混合气而言,则在 2.5 和 6 米之间。
爆燃到爆轰的转化
当火焰头的传播速度达到音速速度时,便出现了爆燃到爆轰的转化过程,简称 DDT。火焰前面的压力脉冲变为了冲击波火焰前面,紧靠气体扩展交界层的压缩空气的压力达到 700kPa(g),此压缩空气与火焰接触,产生爆炸。而爆炸产生的能量,包括热量、速度和压力,无处可去,便沿管道传送而下。爆炸产生巨大的冲击波,对爆燃转为爆轰初始点上下游的气体都产生压缩。
爆轰
爆轰过程系指火焰头以音速或超过音速的速度运动。爆轰使火焰前面的冲击波对气体的压缩增强。爆轰过程中,火焰的传播速度在 1900m/s,最大脉冲压力 3500kPa(g),DP/Po 高达 20。对于丙烷 - 空气混合气而言,出现这种火焰传播状态,是在出现高压爆燃之后到距点燃点约 30 米的管段;而对于氢气,是从点燃点开始,约 10 米的管段。
过度(不稳定)爆轰
当火焰继续沿管道传播下去的时候,火焰进入到过度或不稳定爆轰的状态。火焰头以超音速的速度运动,在某些情况下甚至以极超音速的速度运动,气体受到多重冲击波的剧烈压缩,这是一种不稳定的情况并且是瞬间的情况。当火焰通过爆燃转为爆轰时,火焰使冲击波不断堆积,密度不断加大。火焰前面的气体被压缩并加热到点燃点之上,就如同柴油发动机气缸中的燃料混合气。当压缩气体自我点燃时,所引起的爆炸释放出极大的能量,就好像初期的爆燃转为爆轰一样。此外,能量受到管路的限制,只能沿管路向前运动。而火焰的速度早已是超音速的,火焰继续被加速为极超音速的速度。
出现这种状况的原因是暂时的,因为火焰的速度和压力,取决于火焰前面气体压缩而产生的巨大的冲击波。这些冲击波在起爆之后不久便消散了,也使火焰的速度和压力稳定下来。过度爆轰的峰级速度在 2300m/s 的范围内,最大脉冲压力约为 20995KPa(g),DP/Po 高达 130。这种火焰传播状态,在一条管道中,对于丙烷 - 空气混合气而言,开始于爆燃转爆轰(DDT)以外的距离,在距离点燃源约 60 米处结束,对于氢气来说,在距离点燃源 20 米处结束。
稳态爆炸
超过瞬时过度爆轰之后,传播中的火焰最终到达稳定爆轰的动态。火焰头以音速或高于音速的速度运动,并在前面出现冲击波压缩。一直到管道的另一端,火焰不会出现其他的转化,将始终保持稳定状态。稳定爆轰过程中,火焰速度在300m/s 的范围内,峰值脉冲压力为 3500KPa(g),DP/Po 为 20。
弛振爆轰
在火焰传播过程中,间歇性地出现爆轰,被称为弛振爆轰。这种形式的爆轰是在接近爆炸极限的混合气中观察到的(在接近“稀”的极限及接近“浓”极限的混合气中发现的)。由于弛振爆轰是通过爆燃转爆轰而引发的,因此,弛振爆轰是间歇性出现的过度现象,在管道中的一定距离内引起过压。在此周期变化过程中,冲击波在快速爆燃和前锋冲击波之间振荡,转化为过度爆轰,这是一个短暂的但却稳定的爆轰阶段。
