Исследование процессов горения горючих смесей российскими и зарубежными учеными дало возможность теоретически обосновать многие явления, сопровождающие процесс горения, в том числе и скорость распространения пламени. Изучение скорости распространения пламени в газовых смесях позволяет определять безопасные скорости газовоздушных потоков в трубопроводах вентиляционных, рекуперационных, аспирационных и в трубопроводах других установок, по которым транспортируются газо- и пылевоздушные смеси.
В 1889 г. русским ученым В.А. Михельсоном были рассмотрены два предельных случая распространения пламени при нормальном или медленном горении и при детонации.
Дальнейшее развитие теория нормального распространения пламени и детонации получила в работах Н.Н. Семенова, К.И. Щелкина, Д.А. Франк-Каменецкого, Л.Н. Хитрина, А.С. Соколика, В.И. Скобелкина и других ученых, а также зарубежных ученых Б. Льюиса, Г. Эльбе и др. В результате была создана теория воспламенения взрывоопасных смесей. Однако попытки истолкования явлений распространения пламени как диффузии активных центров или объяснения пределов распространения пламени условиями обрыва цепей недостаточно убедительны.
В 1942 г. советский ученый Я.Б. Зельдович сформулировал положения теории горения и детонации газов. Теория горения дает ответ на основные вопросы: будет ли смесь данного состава горючей, какова будет скорость горения взрывоопасной смеси, каких особенностей и форм пламени следует ожидать. Теория утверждает, что взрыв газо- или паровоздушной смеси – явление не мгновенное. При внесении источника зажигания в горючую смесь начинается реакция окисления горючего с окислителем в зоне действия источника зажигания. Скорость реакции окисления в каком-то элементарном объеме этой зоны достигает максимума – возникает горение. Горение на границе элементарного объема со средой называется фронтом пламени. Фронт пламени имеет вид сферы. Толщина фронта пламени, по вычислениям Я.Б. Зельдовича, равна 1 – 100 мкм. Хотя толщина зоны горения и невелика, однако достаточна для протекания реакции горения. Температура фронта пламени за счет тепла реакции горения составляет 1000 – 3000 0С и зависит от состава горючей смеси. Вблизи фронта пламени температура смеси также повышается, что обусловлено передачей тепла теплопроводностью, диффузией нагретых молекул и излучением. На наружной поверхности фронта пламени эта температура равна температуре самовоспламенения горючей смеси. Изменение температуры смеси по оси трубы в моменты времени 
графически показано на рис. 4.1. Слой газа КК1, в котором повышается температура смеси, представляет собой фронт пламени. При повышении температуры фронт пламени расширяется (до КК2) в стороны концевых стенок трубы А и М, смещая с некоторой скоростью несгоревшую смесь в сторону стенки М, а сгоревший газ в сторону стенки А. После воспламенения горючей смеси сферическая форма пламени очень быстро искажается и все более вытягивается в сторону еще не воспламененной смеси. Вытягивание фронта пламени и быстрое увеличение его поверхности сопровождается увеличением скорости движения
центральной части пламени. Это ускорение длится до тех пор, пока пламя не коснется стенок труб или, во всяком случае, не приблизится близко к стенке трубы. В этот момент размер пламени резко уменьшается, и от пламени остается только небольшая его часть, перекрывающая все сечение трубы. Вытягивание фронта пламени и его интенсивное ускорение сразу после зажигания искрой, когда пламя еще не достигло стенок трубы, вызываются увеличением объема продуктов сгорания. Таким образом, в начальной стадии процесса образования фронта пламени, независимо от степени горючести газовой смеси, возникает ускорение и последующее торможение пламени, причем это торможение будет тем больше, чем больше скорость пламени.
Рис. 4.1. Изменение температуры перед и за фронтом пламени: 1 – зона
продуктов горения; 2 – фронт пламени; 3 – зона самовоспламенения;
4 – зона предварительного прогрева; 5 – исходная смесь
На процесс развития последующих стадий горения оказывает влияние длина трубы. Удлинение трубы приводит к появлению вибраций и образованию ячеистой структуры пламени, ударной и детонационных волн.
Рассмотрим ширину зоны прогрева перед фронтом пламени. В этой зоне химическая реакция не протекает и тепло не выделяется. Ширину зоны нагрева l (в см) можно определить из зависимости:
,
где а –коэффициент температуропроводности; v – скорость распространения пламени.
Для метано-воздушной смеси ширина зоны прогрева равна 0,0006 м, для водородо-воздушной смеси она значительно меньше (3 мкм). Последующее горение происходит в смеси, состояние которой уже изменилось в результате теплопроводности и диффузии компонентов из соседних слоев. Примешивание продуктов реакции никакого специфического каталитического влияния на скорость перемещения пламени не оказывает.
Рассмотрим теперь скорость перемещения фронта пламени по газовой смеси. Линейную скорость перемещения v (в м/с) можно определить по формуле
,
где 
— массовая скорость горения, г/(см×м2), р – плотность исходной горючей смеси, кг/м3.
Линейная скорость перемещения фронта пламени не постоянна, она изменяется в зависимости от составов смеси и примеси инертных (негорючих) газов, температуры смеси, диаметра труб и др. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрической концентрации смеси, а в смеси с избытком горючего. При введении в горючую смесь инертных газов скорость распространения пламени снижается. Объясняется это снижением температуры горения смеси, так как часть тепла расходуется на нагрев не участвующих в реакции инертных примесей. На скорость распространения пламени влияет теплоемкость инертного газа. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше он снижает температуру горения и тем сильнее уменьшает скорость распространения пламени. Так, в смеси метана с воздухом, разбавленной диоксидом углерода, скорость распространения пламени оказывается приблизительно в три раза меньше, чем в смеси, разбавленной аргоном.
При предварительном подогреве смеси скорость распространения пламени возрастает. Установлено, что скорость распространения пламени пропорциональна квадрату начальной температуры смеси.
С увеличением диаметра труб скорость распространения пламени растет неравномерно. При увеличении диаметра труб до 0,10 – 0,15 м скорость растет довольно быстро; при дальнейшем увеличении диаметра труб она продолжает увеличиваться, но в меньшей степени. Увеличение температуры происходит до тех пор, пока диаметр не достигнет некоторого предельного диаметра, выше которого увеличение скорости не происходит. При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором малом диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяснить увеличением тепловых потерь через стенки трубы.
Следовательно, чтобы прекратить распространение пламени в горючей смеси, необходимо тем или иным способом понизить температуру смеси, охлаждая сосуд (в нашем примере трубу) извне или разбавляя смесь холодным инертным газом.
Нормальная скорость распространения пламени сравнительно невелика (не более десятков метров в секунду), но в некоторых условиях пламя в трубах распространяется с огромной скоростью (от 2 до 5 км/с), превышающей скорость звука в данной среде. Это явление назвали детонацией. Отличительные особенности детонации следующие:
1) постоянная скорость горения независимо от диаметра трубы;
2) высокое давление пламени, вызванное детонационной волной, которое может превышать 50 МПа в зависимости от химической природы горючей смеси и начального давления; причем вследствие большой скорости горения развиваемое давление не зависит от формы, емкости и герметичности сосуда (или трубы).
Рассмотрим переход быстрого горения в детонацию в длинной трубе постоянного сечения при воспламенении смеси у закрытого конца. Под давлением фронта пламени в горючей смеси возникают волны сжатия – ударные волны. В ударной волне повышается температура газа вплоть до значений, при которых происходит самовоспламенение смеси далеко перед фронтом пламени. Такой режим горения называется детонационным. По мере движения фронта пламени движение прилегающих к стенке слоев тормозится и соответственно ускоряется движение смеси в центре трубы; распределение ско
рости по сечению становится неравномерным. Появляются струи газовых смесей, скорость движения которых меньше средней скорости газовой смеси при нормальном горении, и струи, движущиеся быстрее. В этих условиях скорость движения пламени относительно смеси повышается, увеличивается количество сгорающего в единицу времени газа, и движение фронта пламени определяется максимальной скоростью газовой струи.
По мере ускорения пламени растет и амплитуда ударной волны, температура сжатия достигает температуры самовоспламенения смеси.
Увеличение общего количества сгорающего в единицу времени газа объясняется тем, что в струе с переменной по сечению скоростью фронт пламени изгибается; в результате этого увеличивается его поверхность и пропорционально возрастает количество сгорающего вещества.
Одним из путей уменьшения скорости горения горючих смесей является действие на пламя инертных газов, но вследствие их малой эффективности в настоящее время применяют химическое ингибирование горения, добавляя в смесь галогенированные углеводороды.
Горючие газовые смеси имеют две теоретические температуры горения – при постоянном объеме и при постоянном давлении, причем первая всегда выше второй.
Методика вычисления калориметрической температуры горения при постоянном давлении рассмотрена в разделе 1. Рассмотрим методику вычисления теоретической температуры горения газовых смесей при постоянном объеме, что соответствует взрыву в замкнутом сосуде. В основу расчета теоретической температуры горения при постоянном объеме положены те же условия, которые указаны в подразд. 1.7.
При горении газовых смесей в замкнутом объеме продукты горения не совершают работу; энергия взрыва расходуется только на нагрев продуктов взрыва. В этом случае полная энергия определяется как сумма внутренней энергии взрывчатой смеси Qвн.эн.см и теплоты горения данного вещества 
. Величина Qвн.эн.см равна сумме произведений теплоемкостей компонентов взрывчатой смеси при постоянном объеме на начальную температуру смеси
Qвн.эн.см=с1Т + с2Т +… + сnТ,
где с1, с2, сn – удельные теплоемкости компонентов, составляющих взрывчатую смесь, кДж/(кг × К); Т – начальная температура смеси, К.
Значение величины Qвн.эн.см можно найти по справочным таблицам. Температуру взрыва газовых смесей при постоянном объеме вычисляют по тому же методу, что и температуру горения смеси при постоянном давлении.
По температуре взрыва находят давление взрыва. Давление при взрыве газовоздушной смеси в закрытом объеме зависит от температуры взрыва и отношения числа молекул продуктов горения к числу молекул по взрывчатой смеси. При взрыве газовоздушной смеси давление обычно не превышает 1,0 МПа, если первоначальное давление смеси было нормальным. При замене воздуха во взрывчатой смеси кислородом резко увеличивается давление взрыва, поскольку увеличивается температура горения.
При взрыве даже стехиометрической газовоздушной смеси значительное количество тепла затрачивается на нагревание азота, находящегося в смеси, поэтому температура взрыва таких смесей намного ниже температуры взрыва смесей с кислородом. Так, давление взрыва стехиометрической смеси метана, этилена, ацетона и метилового эфи
ра с кислородом составляет 1,5 – 1,9 МПа, а стехиометрических смесей их с воздухом 1,0 МПа.
Максимальное давление взрыва используют в расчетах взрывоустойчивости аппаратуры, а также в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран и оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования.
Давление взрыва Рвзр (в МПа) газовоздушных смесей рассчитывают по формуле
,
где Р0 – начальное давление взрывчатой смеси, МПа; Т0 и Твзр – начальная температура взрывчатой смеси и температура взрыва, К; 
– число молекул газов продуктов сгорания после взрыва; 
– число молекул газов смеси до взрыва.
Пример 4.1. Вычислить давление при взрыве смеси паров этилового спирта и воздуха.
.
Р0 = 0,1 МПа; Твзр = 2933 К; Т0 = 273 + 27 = 300 К; 
= 2 + 3 + 11,28 = 16,28 моль; 
= 1 + 3 + 11,28 = 15,28 моль.
МПа.