随着全球能源消耗的增加，温室气体排放和环境退化正变得越来越严重。氢表现出快速扩散、广泛的点火和爆炸范围、低点火能量和快速火焰传播。氢气/甲烷组合可以直接利用现有的天然气管道到达用户终端，安全性将成为掺氢天然气的关键瓶颈。
本文系统地研究了甲烷-氢气混合物在大尺度受限空间（55 m3）中的燃烧爆炸特性，选择氢气体积分数为15%的甲烷-氢气混合物，研究了不同当量比（Φ = 0.9，1.0，1.1，1.2，1.3）下掺氢比为15%的甲烷-氢气混合物的爆炸特性。研究目标如下：
(1)研究了甲烷-氢气混合物在大尺度受限空间内爆炸后的外部火焰演化和内部温度分布。(2)分析外部火焰的演化过程，并阐明其与内外压力变化的相互作用。(3)采用爆炸指数评价建筑物内超压危险性，并根据建筑物外火焰传播速度预测建筑物外超压峰值。本实验选择一个完全封闭的房间来测试受限空间泄漏爆炸的影响。如图1所示，所选房间的建筑面积为19.7 m2，高2.8 m，容积约为55 m3。该房间包括两个自然泄爆点：窗户和门。考虑到门与建筑物的其他部分相连，准确测量其对超压和火焰的响应是困难的。因此，本研究重点分析了通过窗口泄爆口发生的超压和火焰现象。泄爆窗沿着房间中心线布置，采用双层玻璃设计，每层玻璃厚度为4mm。泄爆口长1.8 m，宽1.5 m，底边位于地面以上0.9 m。为了避免由于门的影响而影响测试的准确性，安装了一扇钢架门以确保安全密封。图2示出了实验装置示意图。该系统由密闭空间外壳结构、高速彩色摄像机（FASTCAM SA）、数据采集单元（DH 5960）、同步触发器（北京理工大学自主设计）、分别位于密闭空间内高、中、低位置的3个气体浓度检测器（LB-MD 4X）和质量流量计（AST 10-DBC）组成。四个自由场压力传感器（KD 2002-01）位于窗口结构的中心，距离爆炸释放结构4 m、5 m、6 m和7 m，分别标记为P4 m、P5 m、P6 m和P7 m。壁压传感器（CYG 401）设置在封闭空间的前部，标记为Pfront。此外，在封闭空间的右侧放置一个热电偶（STGW-C），标记为Tright。所有室外传感器的位置与化学点火头的高度相同。实验步骤如下：实验开始前，门窗关闭，用泡沫胶密封，以确保良好的气密性。实验系统的初始状态是大气压下的纯空气。然后使用质量流量计将甲烷和氢气注入封闭空间。如表2所示，使用放置在封闭空间内的气体浓度检测器监测氢气和甲烷的浓度，以确保它们达到特定值。5 min后，如果密闭空间内上、中、下三个位置的检测器测得的气体浓度保持稳定，则表明混合物混合均匀，稳定。然后使用同步触发器来点燃化学点火头。通过同步数据采集和高速摄影，捕捉点火和压力传播过程。图3展示了室外火焰过程的发展过程，结合内部超压的演变，可将其分为4个阶段：玻璃结构破坏阶段、外部爆炸阶段、亥姆霍兹振荡阶段和声振荡阶段。当玻璃结构破裂时，甲烷和氢气的混合物向外扩散。此时，没有可视火焰从结构中逸出，如图3（a）-（e）、（i）、（m）、（q）所示。由于环境稀释和大尺度气体流场的影响，可燃气体的释放速度很快下降。同时，内部火焰通过泄爆结构向外传播，由于压力差和流体惯性而赶上释放的可燃气体，导致外部爆炸。如图3（b）-（f）、（j）、（n）、（r）所示，在喷口处形成明显的蘑菇云火焰表明了这一阶段。随着燃烧过程的不断进行，湍流与火焰前锋之间的相互作用对火焰的传播和强度起着至关重要的作用。由泄爆过程产生的湍流增强了未燃烧燃料与环境空气的混合，显著地影响了火焰结构和燃烧效率。在这一阶段，蘑菇云火焰边缘的强烈剪切效应和旋涡结构导致火焰反应性的变化，逐渐减弱了外火焰边界处的燃烧。随后，由于燃烧而在受限空间内的体积增加速率变得足以升高内部压力。然而，当火焰向外膨胀时，内部压力再次降低。这种压力的周期性波动被称为亥姆霍兹振荡。在整个过程中，外部流场呈现出连续的涡流，周围空气被吸入蘑菇云火焰的外层，进一步影响其结构。同时，受限空间内未燃气体的强烈燃烧导致已燃气体快速喷出，形成高速射流火焰，如图3（c）-（g）、（k）、（o）、（s）所示。射流火焰的形成和传播受到流体惯性和压力波相互作用的显著影响。从亥姆霍兹振荡到声振荡的转变的特征在于燃烧气体的高速喷射，该喷射与外部空气涡流相互作用。这种相互作用影响射流火焰的稳定性，导致火焰长度和速度的变化。最后，外部火焰消散，而化学反应在受限空间内继续进行，剩余的可燃混合物迅速反应，在声振荡阶段与受限结构发生共振，如图3（d）-（h）、（l）、（p）、（t）所示。
图4（a）显示了不同当量比下室外火焰长度的发展过程。在当量比为0.9 ~ 1.2的范围内，室外火焰的总体发展过程是一致的，火焰长度上升到某一点后，出现振荡现象，最后室外火焰熄灭。由于拍摄角度的问题，对于当量比为1.3的室外火焰的发展过程没有被完全捕获。图4（B）以当量比为1.1为例，通过火焰发展的图像显示了火焰长度变化的阶段。外部火焰发展时间在火焰从爆炸缓解结构出现的时刻开始。在0.09 s左右，外部火焰进入缓慢增长阶段。当火焰发展成蘑菇云形状时，它的外边缘朝前卷曲并吸入空气，这逐渐减缓了火焰的增长速度。随后，未燃烧气体在受限空间内的剧烈燃烧，结合其快速释放，进一步加速火焰发展，形成射流火焰。火焰在0.15 s左右达到其最大长度约11 m。在此之后，随着亥姆霍兹振荡持续，射流火焰在0.17和0.30 s之间振荡。最后，外部火焰在0.31 s左右开始逐渐消散。图5（a）说明了不同当量比下受限空间壁的温度变化趋势几乎相同。所有趋势在0.40 s左右都表现出急剧上升，在逐渐下降之前达到峰值。总体而言，在各种当量比下测得的室内峰值温度在1135-1200 ℃范围内保持稳定，在当量比为1.1时观察到的最高室内峰值温度为1162.8 ℃。这种现象可归因于当当量比为1.1时，其处于富燃料状态但不处于过富条件。在这种情况下，未燃烧的燃料损失是最小的，并且过量的碳氢化合物不会导致显著的热吸收，从而允许火焰温度达到其最大值。具体地说，在当量比为0.9时，室内峰值温度为1159.6 ℃，出现在约0.796 s。当当量比为1.0时，峰值温度在0.722 s左右达到1141.8 ℃。当当量比为1.1时，峰值温度上升最快，约在0.685s时发生相变.当当量比为1.2和1.3时，峰值温度分别为1136.6 ℃和1134.9 ℃，均发生在0.770 s左右。重要的是要注意，由于温度传感器的响应时间和泄爆过程的快速进展，温度峰值通常在室外火焰熄灭后记录。图5（b）示出了对于各种当量比在15%的氢混合比下的室内温度上升速率。值得注意的是，1.1的当量比表现出最高的峰值温升率，在约0.516 s时达到12，079 ℃/s。这主要是因为，在当量比为1.1时，气体云反应更快。燃料的分解和氧化更有效，产生更高浓度的中间产物（如羟基自由基、OH和活性自由基），这进一步增强了放热反应，显著加速了温度上升。相比之下，当量比为0.9和1.0时的峰值温升率要低得多，分别为9774 ℃/s和10,484 ℃/s，两者都发生在0.478 s左右。有趣的是，当当量比超过1.1时，经常观察到温升速率的双峰现象。这是因为，在密闭空间中，当可燃气体浓度超过1.1的当量比时，点火时的瞬时热释放速率相对较低。随后，未燃烧的气体泄漏到系统中并使燃料燃烧，导致二次加热。当当量比为1.2和1.3时，温升率分别为9188 ℃/s（0.472 s时）和7283 ℃/s（0.563 s时）。图6为不同当量比条件下，密闭空间压力测点的压力-时间曲线。为了清晰区分不同阶段的超压峰值，选用100 Hz低通滤波器进行处理。本实验采用的排气结构为低强度玻璃结构，因此内压曲线由四个阶段组成。结合火焰图像，发现内部超压的第一个峰值Popen是由窗玻璃结构的破坏引起的。由于较慢的燃烧速率，形成弱的前驱燃烧波。燃烧产生大量高温、低密度气体，导致室内压力升高。预饱和时间跨度为几百毫秒。内部压力上升与气体膨胀和压缩作用相同，与准静态压力特性一致。当泄压结构打开时，封闭空间内未点燃的可燃气体云向外排放。内部燃烧反应持续进行，直到内部火焰发展到点燃泄压结构外部先前未燃烧的气体云，导致以蘑菇云形状的外部火焰为标志的室外爆炸。这种情况允许测量第二峰值Pext。封闭空间内持续的燃烧反应会导致压力再次上升，但室外爆炸和向外的气流会使空间压力下降。这种反复的压力波动是指亥姆霍兹振荡。外部火焰由于空气夹带而在边缘消散，而化学反应在受限空间内加速，更快地向外推动火焰并形成喷射火。对具有15%掺氢比的不同当量比的压力-时间曲线进行处理并在图7中示出。爆炸指数KG随当量比先增大后减小。在当量比为0.9时，KG为1996.1697 kPa m/s，这是爆炸严重度的较低值。随着甲烷-氢气混合物浓度的增加，KG在当量比为1.1时上升到最大值8693.5493 kPa m/s。在当量比为1.0和1.2时，在壁处测得的爆炸特性分别为5525.6899 kPa m/s和5222.5946 kPa m/s，与峰值KG相比下降了约37%。随着可燃混合物浓度的进一步增加，KG减小，在当量比为1.3时下降到1363.2824 kPa m/s。图8示出了在不同当量比下的内压特性的发展趋势，突出了Phel、KG和（dp/dt）max之间的良好对应。Phel和（dp/dt）max的生长机制不同，但相关性良好。Phel是由腔室中正在进行的化学反应和气体向外运动之间的反复竞争产生的。相比之下，燃烧室压力的上升主要受化学热力学的影响，由能量增强机制驱动，该能量增强机制减少热损伤多于减少绝热超压。这些化学热力学的宏观表征是室温的变化。从图8可以看出，在0.9-1.3的当量比范围内，总体温度峰值几乎相同。然而，在当量比为1.1时，室温的增加率最高，表明由于受限空间内热损伤的减少，整体能量增强机制更强。另一方面，（dp/dt）max主要受化学动力学的影响，其中化学反应速率的增加提高了能量释放速率。当玻璃爆燃开口发生时，容器内部的火焰半径增大，向外释放出大量的燃烧产物和热量，从而使内部气体膨胀率增大，引起KG和（dp/dt）max增大。换句话说，从爆燃结构逃逸后的室外火焰发展速率与KG和（dp/dt）max相关;在当量比为1.1时，室外火焰发展速率最高，KG和（dp/dt）max也达到其最高值。受限空间内的压力随着化学反应而升高，直到达到泄爆结构的开启压力。在打开时，防爆玻璃释放未燃烧的气体和火焰。在适当的条件下，这导致湍流火焰点火和射流放电的外部流场，点燃未燃烧的混合物，并引起外部爆炸。因此，外部压力曲线不仅定量地研究了由泄爆片的打开产生的压力波（阶段1），而且还评估了由于火焰前缘前方的膨胀波的连续叠加而导致的外部爆炸的累积强度（阶段2）。图9示出了内部和外部压力分布之间的时间关系。当当量比为1.0时，在4 m和5 m处测得的外部超压分别在约0.284 s和0.295 s时开始上升。同时，在6m和7m处测得的超压在0.34s左右开始上升。这表明，泄爆片的打开产生的压力波（第1阶段）影响4 m和5 m处的测量点，而6 m和7 m处的超压主要受先前释放的未燃烧气体点燃引起的外燃烧波（第2阶段）的影响。图10显示了不同当量比下的外部超压演化，压力曲线分为两个阶段。第一阶段，外部超压上升速率相对较低。这主要是由于泄爆过程中的流动阻力以及与周围环境的相互作用。破裂产生的结构框架或玻璃碎片可能会部分阻塞泄爆口，增加湍流并限制气流。这减缓了气体释放，延迟了压力恢复。与此同时，泄放出的气体与周围空气混合，产生压力波和旋涡，进一步阻碍了外部超压的发展。结果，压力累积被延迟，导致阶段1中较低的压力上升速率。随着当量比的增加，受限空间内的气体浓度升高，导致泄爆片打开时释放更多的气体。这导致激发波释放更高的能量，使得阶段1更显著。如图7（e）所示，在当量比为1.3时，第1阶段遵循上升然后下降的完整循环。在第2阶段，压力上升速率显著增加，峰值外部超压主要是由火焰前锋的累积膨胀引起的。因此，第2阶段的最大外部超压与外部火焰的发展呈正相关。随着当量比的增加，第2阶段的峰值外超压先增加后降低。外部记录的最大超压是确定外部爆炸过程风险的一个重要因素。图11（a）描述了在不同位置和当量比记录的峰值超压。随着距离的增加，外部超压峰值下降。在4 m处，当量比为1.0、1.1和1.2时的峰值超压分别为6.342 kPa、6.039 kPa和5.766 kPa。在7 m处，这些值下降至2.191 kPa、0.993 kPa和2.597 kPa，分别比4 m处的读数下降了65.45%、83.56%和54.96%。4 m处的峰值超压较低，当量比分别为0.9和1.3，分别为2.113 kPa和3.446 kPa。在7 m处，这些值下降到0.122 kPa和1.672 kPa，与4 m处的读数相比，分别下降了94.51%和51.48%。室外压力峰值与距离之间的关系采用线性函数拟合，如图11（b）所示。在当量比为1.1时，超压衰减率最高，为−1.6131（kPa/m）。当当量比为1.0和1.2时，超压衰减率较高，分别为−1.4854和−1.0638（kPa/m）;当当量比为0.9和1.3时，超压衰减率最低，约为−0.6（kPa/m）。测得的外部超压主要是由于膨胀波在火焰前沿的不断叠加，涉及到火焰内能向冲击波动能的能量转换、火焰和冲击波的热损失、与外部环境温度和压力环境的相互作用以及动能的损失。掺甲烷混合燃料系统的总能量决定了理论冲击波动能的上限，减少热损失允许更多的内能转化为冲击波的动能。结合外部火焰发展速率，火焰发展速率越快，火焰向外部环境的热损失和动能损失过程越快，导致当量比为1.1时超压衰减速率越高。图11 用距离拟合曲线研究外部峰值超压及峰值超压衰减
(1)当当量比为1.1时，火焰速度最大为62.751 m/s，最大火焰长度为11.045 m。在1.2时，速度下降到52.595 m/s，火焰长度缩短到9.891 m。对于比率0.9和1.0，速度相似：分别为43.770 m/s和45.923 m/s。然而，1.0比例的火焰持续时间更长，达到8.182 m，大约是0.9比例火焰的两倍。在1.3时，火焰发展得更慢，为30.933 m/s。
(2)Phel和KG显示出很强的相关性，均在等效等效力比为1.1处达到峰值，其中由亥姆霍兹振荡驱动的Phel显著影响室内超压。在当量比为0.9、1.0、1.3、1.1和1.2时，Phel值分别为2.705 kPa、6.815 kPa、12.210 kPa、12.339 kPa和4.098 kPa。而KG，用于评估受限空间的爆炸危险性和耐压性，随着当量比的增加先增加后减少，在1.1时达到最大值8693.5493 kPa m/s。随着可燃混合物浓度的增加，KG降低，在当量比为1.3时降至1363.2824 kPa m/s。(3)外压曲线不仅受爆泄爆片打开产生的导向压力波的影响（第一阶段），还受火焰前缘膨胀波连续叠加产生的外爆强度的影响（第二阶段）。在4 m处，当量比为1.0、1.1和1.2时的峰值室外超压分别接近6.342 kPa、6.039 kPa和5.766 kPa。当当量比为0.9和1.3时，4 m处的峰值较低，分别为2.113 kPa和3.446 kPa。室外超压峰值随距离的增加而减小。室外火焰速度与超压之间的关系可用指数函数拟合。
选自微信公众号 X燃爆科研工作室
