《Energy》：Full-scale experimental study on external explosion dynamics induced by liquefied petroleum gas explosion in residential environment
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液化石油气爆炸实验平台研究多出口外部爆炸动态机制与灾害特征，揭示长深高阻环境加速火焰传播及冲击波聚焦效应，建立超压预测模型，分析冲击波速度波动与火焰形态演变规律。
钱然胡|王小杰|张琪|杨慧洁|钱新明|李鹏亮|袁梦琪
中国北京理工大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京，100081
摘要
随着能源的广泛普及，城市住宅区发生燃气爆炸事故的现象日益频繁。为了研究住宅环境中外部燃气爆炸的动力学特性和灾害特征，研究人员使用了一个100平方米的全尺寸液化石油气爆炸实验平台，来研究多个通风口引发的外部爆炸的动态机制以及冲击波和火焰的传播特性。研究表明，长深度和高阻力的住宅环境显著促进了火焰的加速和压力积聚。在门窗的几何限制下，室外通风气体喷射产生的冲击波聚焦效应得到了增强，使得高温高压的马赫盘状区域更容易形成，条件更加极端，从而更有可能引发高强度的外部爆炸。外部爆炸的超压空间分布受到点火位置和通风口特性的共同影响。由于室内火焰的远距离加速以及室外马赫盘状结构的显著形成，在远离点火点的通风口外部产生了峰值达138千帕的严重爆炸。半经验预测模型表明，外部爆炸峰值超压与室内初始爆炸强度之间存在超线性放大关系。多个门窗的失效导致了多次外部爆炸的发生。由于湍流燃烧和地面马赫反射的作用，冲击波速度呈波动变化，最大速度达到了1079米/秒。受外部爆炸的影响，爆炸火焰最终形成了由“主体”和“头部”组成的倒勺形火焰。室外形成了典型的火焰温度结构：“白色火焰核心-橙色内焰-紫色外焰”，最终转变为以喷射火焰为主的温度分布。
引言
液化石油气（LPG）和天然气作为清洁能源，因其高热值和低碳排放而在居民生活和生产中得到广泛应用[1]。然而，这些燃料具有高能量密度、强流动性和爆炸性，在生产、储存和使用过程中容易泄漏。当与空气混合形成爆炸性气体云时，遇到火源时会发生严重爆炸[2]、[3]。近年来，国内外频繁发生燃气爆炸事故[4]，造成重大人员伤亡和财产损失。这类事故通常发生在结构复杂的住宅环境中，这些环境具有独特的空间布局、众多的内部障碍物以及不对称的门窗分布。这些因素导致爆炸动力学发生显著偏差，尤其是在能量从室内释放到室外的关键阶段（外部爆炸），这与传统简化实验环境中的现象有很大不同[5]、[6]、[7]。外部爆炸是导致建筑物结构次级损坏的主要因素，扩大了灾害范围并加剧了人员伤亡[8]。因此，在高度真实的住宅环境中进行全尺寸研究，系统地揭示外部爆炸的触发机制和演变规律，对于制定精确的事故预防策略具有重要的科学意义。
目前，大多数研究[9]、[10]认为，外部爆炸的发生需要三个基本条件：大量的可燃气体云、强烈的湍流和高速火焰。基于大涡模拟，Molkov等人[11]提出，通风口附近形成的涡旋结构是室外气体云剧烈燃烧的先决条件。Jiang等人[12]发现，通风口附近的稀疏波在气体云边界处反射并在轴线附近集中，导致压力增加和外部爆炸。Pang等人[13]对外部爆炸过程进行了数值研究，强调只有当火焰到达通风气体云的中心时才会引发剧烈的外部爆炸。
在研究外部爆炸灾害特性方面，通过实验和模拟进行了大量工作，以探讨边界条件的影响。研究表明，增加通风口面积可以扩大室外高压区域并增强湍流，从而增加外部爆炸的超压[14]。气体浓度、通风口面积和点火位置之间存在耦合效应，共同影响了峰值超压和空间分布[15]、[16]、[17]。通风口的过度惯性或初始湍流扰动会显著改变排气效率和火焰传播，从而抑制或放大外部爆炸[18]、[19]。在研究火焰行为时，学者们将外部爆炸火焰的演变过程分为不同的阶段，揭示了其形态和传播的复杂性[20]、[21]。他们还系统地研究了气体浓度、点火位置、初始湍流和通风口参数对火焰速度、形态和传播距离的影响[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。Yue等人[28]通过全尺寸实验验证，当点火点远离通风口时，外部火焰速度达到峰值。这一发现为理解实际场景中的火焰加速机制奠定了基础。
然而，尽管研究取得了一些进展，但在真实住宅环境中进行的高保真度爆炸研究仍存在显著不足。目前的局限性主要表现在以下几个方面：（1）实验场景的保真度不足，因为大多数实验基于简化的小型装置，难以准确反映复杂空间内的火焰加速和压力传播等关键过程。（2）关于多约束耦合机制的研究仍然不足，实际住宅建筑中障碍物、多房间连通性和不对称门窗通风的协同效应尚未得到系统阐释。（3）具有独特空间结构（如长深度和不对称配置）的住宅建筑中外部爆炸的调控机制尚不清楚，缺乏实验和机制支持。这些不足限制了理论的发展和安全技术的精确应用。
为了解决这一问题，本文建立了一个基于典型住宅平面图设计的100平方米全尺寸、高度真实的液化石油气爆炸测试平台。通过集成多系统同步测量技术，实验捕捉到了压力冲击波、火焰和温度结构的耦合演变过程。系统研究了住宅环境中多个通风口引发的外部爆炸动力学，重点揭示了不同点火位置下基于室内布局和爆炸通风路径的关键外部爆炸参数的调控规律。这些研究结论对于加深对燃气爆炸通风理论的理解具有科学意义。
实验平台
本文构建了一个全尺寸的燃气爆炸测试平台，如图1所示。该平台包括钢筋混凝土建筑、气体配置和爆炸测试系统、内部障碍物等组件。室内净尺寸为13.35米（长度）× 7.5米（宽度）× 2.8米（高度），内部面积约为100平方米。内部空间分为厨房、餐厅、客厅、两间卧室和卫生间。实验的设计灵感来源于
外部爆炸过程
当主卧室发生点火时，记录了次卧室和客厅外的外部爆炸过程，如图6所示。495毫秒时，火焰从主卧室蔓延到次卧室，并首先通过次卧室的窗户排出。5毫秒后，火焰前沿迅速扩散，表面积显著增加，亮度明显增强，形成了典型的爆炸火球，标志着外部爆炸的发生
冲击波位置
当主卧室和厨房发生点火时，成功记录了次卧室和客厅外的外部爆炸冲击波的传播过程。图14显示了多个通风口引起的爆炸冲击波前沿的时间和空间演变过程。多个通风口引起的冲击波前沿用不同颜色的线条标记（d1和d2表示波前沿与
火焰形态
为了研究住宅环境中多个通风口引起的室外通风火焰的形态特征，分析了主卧室点火时（图17）和远离点火点（客厅窗户）时（图18）的火焰变形情况。
在图17中，通风口打开后（276毫秒），火焰首先沿地面传播，然后在
结论
本文构建了一个全尺寸燃气爆炸测试平台，研究了多个通风口引起的外部爆炸过程，并揭示了爆炸冲击波和火焰传播特性的时间和空间演变规律。主要结论如下：
(1)长深度和高阻力的住宅环境不仅加速了火焰的传播，还通过耦合作用显著增强了通风流的冲击波聚焦效应
CRediT作者贡献声明
李鹏亮：研究、概念构思。袁梦琪：资源协调、项目管理。钱新明：项目管理、方法论。王小杰：资源协调、研究。钱然胡：撰写——初稿、方法论、研究。杨慧洁：撰写——审稿与编辑、监督。张琪：项目管理、正式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本文的研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFC3304101）、国家自然科学基金青年基金（编号：12302433）以及北京理工大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室开放项目（编号：KFJJ25-25M）的支持。
