可燃气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一,特别是涉及多种气体混合而成的多元可燃气体的爆炸事故,其过程更为复杂,有效地预防和控制此类工业灾害性事故是安全生产领域亟待解决的重大课题,受限空间内多元气体的爆炸机制是此类事故预防的基础。另一方面,为解决过度使用传统化石燃料引起的环境污染问题及能源危机,氢气或高含氢燃料作为一种新的清洁可替代能源引起国内外的广泛关注,而氢能源使用中的安全性问题是氢气技术应用的关键,也是氢能源发展和推广所面临的重大挑战。本文以甲烷-氢气-空气混合气体为研究对象,通过实验研究和数值仿真技术对其在受限空间内的爆炸物理过程和物理机制及爆炸灾害效应进行研究,揭示了混合气体浓度、混合气体组分比例和其他约束条件对爆炸效应的影响规律,主要工作和创新性成果如下:一、氢气对甲烷气体爆炸特性的影响规律涉及多种气体混合而成的多元可燃气体的爆炸事故过程十分复杂,国内外对于气体爆炸的研究工作大多是针对单一可燃气体展开,极少关注如矿井气体、城市燃气、石油化工气体及新能源气体等多元气体的爆炸特性及灾害后果,同时高含氢燃料在使用中的安全性问题是氢能源发展和推广中所面临的重大挑战,而目前对此类多元爆炸性气体的爆炸性质缺乏系统的研究,本文以典型多元可燃气体(CH4-H2-Air)为研究对象,通过实验和数值模拟相结合的方法,对其爆炸特性进行系统研究,得到氢气的存在对于甲烷爆炸压力、爆炸强度指数、爆炸温度和点火延迟期等特性的定量影响关系,并得到气体浓度(当量比)及约束条件对CH4-H2混合气体的爆炸特性及灾害效应的影响规律,给出CH4-H2混合气体最小点火能的普适性计算方法,可根据特定当量比条件下甲烷和氢气的最小点火能计算得到此当量比时任何组分比例混合物的最小点火能。二、三维密闭空间和泄爆条件下气体燃爆的体积效应迄今为止,有关实验研究的报道主要是一些在特定工况下获得的实验结果,这种结果是否具有普适性,特定条件下获得的气体爆炸特性参数及规律能否真实地反映实际工况中气体爆炸灾害过程关乎实验方法的有效性。本文对几何相似三维密闭和半开敞空间内的气体爆炸过程进行研究,证实了三维空间内气体爆炸存在“体积效应”,并指出密闭容器内气体爆炸压力的体积效应不明显,而爆炸压力上升速率和火焰速度的体积效应显著,并且氢气比例越高,体积效应越明显;而泄爆条件下的气体爆炸压力存在一定的体积效应,火焰速度的体积效应并不明显。同时研究表明泄爆口在泄放爆炸压力、降低爆炸强度、减少灾害效应方面起到很大作用,但是泄爆口的存在又会扩大火焰伤害范围,喷射出来的火焰会成为次生灾害的诱因。以上研究成果为多元可燃气体爆炸实验研究方法的选取及实验结果判研提供了重要依据。三、气体爆炸转燃烧的物理机制巷道瓦斯爆炸火焰的传播区域范围可以达到初始预混区范围的数倍以上,初始预混区之外的燃烧、爆炸及其他连锁灾害效应的灾害范围更广,但是对于初始预混区瞬态扩展的物理过程及初始预混区外爆炸转为燃烧的条件和规律研究还处于起步阶段,相关成果极少。本文针对管道内部分预混的气体爆炸过程进行实验研究,得到初始预混区外瞬态化学反应流动的温度场和压力场的分布规律及灾害效应,揭示了预混区浓度、混合气体组分比例、障碍物等因素对爆炸瞬态流场的影响规律,解释了预混区外瞬态流动的物理过程及爆炸转燃烧的物理机制。研究成果对井下防火防爆优化设计与事故调查分析具有实际指导意义。四、预混区边界爆轰状态衰减规律初始预混区外爆轰状态衰减规律的研究具有十分重要的意义,爆轰火焰区范围是初始预混区外灾害范围确定的重要依据,预混区边界处的爆轰波破坏效应和影响范围与爆轰程度的强弱有直接的联系。本文研究了管道内的氢气爆轰过程的发展和衰减规律,研究成果不仅得到火焰区范围与爆轰程度的关系,而且解释了燃料混合区瞬态扩展的物理机制和影响因素,这在国内外现有文献报道中尚未见到类似的研究成果。