多種材質障礙物對甲烷-氫氣預混燃氣的促爆影響

焦一飛，熊曉曼，任 昊，米紅甫，何國欽，李 品，魏 鑫

（1.國家電網四川省電力公司經濟技術研究院, 四川 成都 610041；2.重慶科技學院安全工程學院, 重慶 401331）

多組分燃氣爆燃的相關研究有利于擴展燃氣儲運安全及燃燒的適應性，特別是對于氫氣和甲烷混合燃料的研究已有了廣泛應用。將氫氣和甲烷混合后，反應速率加快，爆炸強度和爆炸危險性顯著上升。同時，外界環境中障礙物的存在也會導致爆炸事故范圍擴大，傷害加重。氫氣的加入與障礙物存在具有耦合作用，使得爆炸強度激增。

復雜的外界條件可對燃氣爆炸造成重要影響，燃氣火焰被點燃后快速蔓延。外界條件干擾下的自生不穩定性使火焰推動未燃燃氣，隨后產生中湍流，流體不穩定性又導致燃燒反應加速，最終由爆燃轉變為爆轟。這一過程中，障礙物及火焰所能接觸到的粗糙壁面[1]均會導致火焰蔓延加速，并且縮小爆轟距離[2-3]。因此，障礙物與爆炸火焰的耦合作用成為研究重點，包括障礙物大小[4]、位置以及障礙物形狀等條件導致的火焰差異[5]。Fairweather 等[6]的實驗發現，在通過障礙物時火焰表面會出現“褶皺”，火焰面積快速增大，燃燒反應速率快速上升，導致火焰蔓延速度及爆炸壓力上升。Yu 等[7]、Wen 等[8-9]進行了大量的工作探究最強促爆障礙物工況。Yu 等[7]的實驗發現，三角形開孔障礙物時爆炸強度最高；Wen 等[8-9]在進行障礙物間距對火焰傳播影響實驗中發現，障礙物交錯放置有較強促進爆炸的效果。Masri 等[10]通過在管道內橫置3 種不同形狀柱形障礙物發現，火焰在通過方形障礙物時的傳播速度最大，通過圓形障礙物時的傳播速度最小。

Johansen 等[11-12]和Ciccarelli 等[13]利用在爆炸過程中注入少量氦氣的方式，發現障礙物引起的渦流是導致湍流產生進而導致火焰加速的主要原因，而障礙物導致的湍流并非是唯一導致火焰加速的原因[14]。爆炸過程中，障礙物反射后的激波提高了未燃燒材料的溫度、壓力和密度[15]，使火焰鋒面化學反應速率加快，導致燃料的爆轟敏感性上升[16-17]，在一定條件下引發火焰前端自燃[18]。激波反射機理被認為是解釋火焰面積增大和火焰蔓延加速的主要原因[19]，基于此開發了大量計算模型，用以預測火焰加速到爆炸的過程[20]。Coates 等[21]的爆炸模擬中，考慮了障礙物形狀對火焰蔓延加速機理的影響，其中包括不同障礙物邊界層產生的渦流脫落以及障礙物反射壓力波對燃燒反應的加速。結果表明，火焰與不同邊界障礙物之間產生的壓縮導致了不同程度的強壓力波反射，這些波在未燃燒的燃料中相互作用。隨著對多種障礙物類型的不斷細化，障礙物材質所導致的火焰傳播差異也受到研究人員的關注。

Leal 等[22]通過數值模擬研究了樹木對液化石油氣（liquefied petroleum gas，LPG）儲罐爆炸后果的影響，發現樹木高度和間隔距離都會影響爆炸強度。Bakke 等[23]模擬了邦澤菲爾德油庫（Buncefield tank farm）的爆炸事故，發現油庫周邊樹木對火焰傳播起到了促進作用，并通過實驗證實了該研究結果。

Li 等[24-27]的實驗研究發現了柔性障礙物對氫-空氣預混火焰傳播過程中的燃燒動力學特性和規律。通過穩影儀捕獲的影像發現，火焰前方的流場流動受柔性障礙物的影響。柔性障礙物在流場中會發生不同程度的形變，并且形變大小與障礙物自身大小密切相關。同時，相較于剛性障礙物，柔性障礙物衰減了爆炸過程中壓力的上升程度。多種跡象表明，障礙物材質不同會導致不同的預混火焰加速機理。

隨著對燃燒和安全研究的深入，對爆炸環境多樣化的分析更加細致。柔性材質障礙物在受到流場作用力后發生彈性形變，對未燃流場產生的擾流過程更加復雜，使得流場中渦流、湍流強度多變。本研究將通過實驗探究多種障礙物的促爆危險性，分析柔性障礙物的促爆規律以及障礙物材質導致的流場中的流固耦合問題。

1 實驗裝置和方法

為獲取爆炸過程中的火焰變化過程圖像及壓力數據，搭建如圖1 所示的實驗平臺。選用長度為1 000 mm、截面尺寸為100 mm×100 mm 的透明PMMA 材質管道進行氫氣-甲烷預混爆炸實驗。利用高速攝像機（Phantom 410）捕捉火焰變化過程，拍攝幀率為4 000 s-1。將2 個采集頻率為50 Hz 的PCB 壓力傳感器分別安裝在管道點火端和距離底部100 mm 處。距離管道底部設有一個直徑為30 mm 的泄爆口，實驗開始前用PVC 薄膜將泄爆口密封，保證安全泄壓。采用4 倍體積配氣法通過3 臺氣體流量儀排出管道內的空氣[28]，將體積分數為99.99%的甲烷、體積分數分別為0、10%、20%和30%的氫氣和空氣按當量比為1.0 通過氣體流量計進行混合，形成預混氣體通入管道內，通氣時間為8 min。通氣結束后，同時關閉進、出口閥門，靜置15 s 使氣體混合均勻達到穩定[8]。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

混合氣體的當量比與燃料中氫氣體積分數的關系為

式中：mcarb和mair分別為燃氣和空氣的質量；（mcarb/mair）stioch為燃氣與空氣質量比的化學計量；MO2、MN2、MCH4和MH2分別為氧氣、氮氣、甲烷和氫氣的摩爾質量； φH2為氫氣在總燃氣（氫氣和甲烷的體積之和）中的占比； φH2為氫氣在總預混氣體（包括空氣）中的占比，即氫氣的體積分數

式中：VH2和VCH4分別為混合氣體中氫氣和甲烷的體積。當改變燃氣中氫氣的體積分數時，為了保持混合氣體的當量比不變，需要對空氣體積分數進行相應改變。通過式(1)和式(2)計算得到混合氣體各組分的體積分數，見表1。

表1 預混氣體的組分Table 1 Premixed gas components

如圖2 所示，實驗選用阻塞率為0.3 的3 種障礙物：剛性障礙物、柔性障礙物A 和柔性障礙物B。將障礙物放置在距離點火端300 mm 處，3 種障礙物大小相同，具體參數見表2。

表2 障礙物參數Table 2 Obstacle parameter

圖2 3 種障礙物：剛性障礙物、柔性障礙物A 和柔性障礙物BFig.2 Three types of obstacle：rigid obstacle，flexible obstacle A and flexible obstacle B

實驗過程中，初始壓力和溫度分別為101 kPa 和298 K。通入管道內的氣體混合物由1 個高壓脈沖火花塞點燃（點火能量約為60 mJ）。高速攝像機和高壓脈沖火花塞同時觸發，以便采集火焰圖像，壓力傳感器檢測到壓力變化后自動記錄爆炸過程中的動態壓力變化。

2 實驗分析

2.1 爆炸火焰分析

圖3 為 φH2=0 時管道內的火焰圖像，可以看到，管道內燃氣在0 ms 時被火花塞點燃，火焰在障礙物前的傳播過程中保持了層流。30 ms 前的火焰形狀為穩定的“手指形”?；鹧嬖趧傂哉系K物和柔性障礙物A 前發生扭曲變形，障礙物使未燃流體的流動范圍發生了明顯變形，火焰開始壓縮、扭曲。隨后，在40 ms 左右時，火焰沿前端未燃流場被卷入渦流?；鹧婢哂懈蟮谋砻娣e會消耗更多新鮮氣體，從而導致熱量釋放速率增大。渦流內的化學反應加速，導致火焰蔓延速度在管道下游激增。

圖3 管道內火焰圖像（ φH2=0）Fig.3 Images of flame in pipeline ( φH2=0)

上述現象在火焰蔓延前期起到重要的加速作用，障礙物或者微觀下的粗糙壁面都會導致流場的湍流以及火焰的爆轟距離縮短[16]。在圖3 中可以看到，剛性障礙物在37 ms 時的渦流火焰形狀相對于柔性障礙物更加清晰，與剛性障礙物相比，柔性障礙物A 的后方呈現的渦流并沒有明顯差別，并且二者在管道內的火焰幾乎在同一時間到達同一位置。隨著障礙物彈性模量的減小，火焰在障礙物B 管道內出現了相對更明顯的變化，與剛性障礙物和柔性障礙物A 相比，火焰到達同一位置的時間更久。在圖3的第3 行圖片中可以看到，相較于剛性障礙物與柔性障礙物A，柔性障礙物B 的火焰渦流形狀明顯不同。

隨著氫氣在管道內燃氣占比的上升，火焰發展過程開始加速，相較于圖3 中無氫氣時的火焰蔓延速度，圖4～圖6 中火焰蔓延逐漸加速，氫氣體積分數更高時，火焰到達相同位置的用時更短，火焰的燃燒程度也相應增加。在圖4～圖6 中，氫氣的化學反應加速以及渦流范圍上升都影響著火焰的加速效果。

圖4 管道內火焰圖像（ φH2=10%）Fig.4 Images of flame in pipeline ( φH2=10%)

圖5 管道內火焰圖像（ φH2=20%）Fig.5 Images of flame in pipeline ( φH2=20%)

圖6 管道內火焰圖像（ φH2=30%）Fig.6 Images of flame in pipeline ( φH2=30%)

通過獲取的火焰圖像可以計算得到火焰蔓延速度與位置的關系，火焰蔓延速度和位置分別為

式中：v為火焰鋒面蔓延速度；l1、l2為火焰的位置；t1、t2分別為火焰到達l1、l2處所用的時間。圖7 和圖8為火焰鋒面蔓延速度曲線?；鹧驿h面在障礙物前方呈現勻速發育，隨著鋒面接近障礙物，火焰蔓延速度開始因火焰形變而增大，而后由于障礙物的阻擋，火焰轉變為渦流形態，導致火焰速度在障礙物后方出現短暫減速。渦流中燃氣快速燃燒，推動火焰蔓延速度達到峰值。達到峰值后的火焰形狀向“平面”及“郁金香”轉變，湍流開始主導火焰形狀演變，導致火焰蔓延速度快速振蕩。

圖7 火焰鋒面速度-位置曲線Fig.7 Curves of flame front velocity-position

圖8 火焰鋒面的速度-位置曲線Fig.8 Curves of flame front velocity-position

火焰遇到剛性障礙物時的速度峰值高于柔性障礙物，在 φH2=0 時，火焰遇到剛性障礙物時的速度峰值達到57.60 m/s，而遇到柔性障礙物A 和柔性障礙物B 時的速度峰值分別為56.10 和43.42 m/s，柔性障礙物A 和柔性障礙物B 的速度峰值相較于剛性障礙物分別降低了2.6%和24.6%?？梢钥吹?，剛性障礙物對火焰的干擾強于柔性障礙物，并且隨著柔性障礙物的彎曲強度變小，柔性障礙物在管道內的速度峰值開始逐漸降低。

在氫氣加入后，整體火焰的速度峰值呈上升趨勢，隨著氫氣占比由零增大至30%，火焰遇到剛性障礙物時的速度峰值上升到76.97 m/s，遇到柔性障礙物A 和柔性障礙物B 時的速度峰值分別上升到72.95 和68.42 m/s。在 φH2=30%時，剛性障礙物、柔性障礙物A 及柔性障礙物B 相對于 φH2=0 時的速度峰值分別增大了33.6%、30.0%和57.6%。在圖7 和圖8 中可以發現，柔性障礙物A 和剛性障礙物的速度峰值更加接近，并且高于柔性障礙物B。因此可以推測，障礙物在爆炸場中的促爆能力與障礙物材質以及材質所帶來的形變有著密切關系。而在本研究中，更高彎曲強度的障礙物有著更強的加速火焰蔓延的能力，同時剛性障礙物加速和干擾火焰的能力最大。

2.2 爆炸管道內的壓力分析

圖9 為爆炸過程中采集到的管道內上、下游的壓力數據。由于壓力傳感器較為接近點火源，因此，壓縮波在0 s 左右出現，然后快速向前傳播，而在壓力傳感器中的記錄則以稀疏波為前期主導。在圖9中可以看到，實驗開始時壓力記錄為負壓。隨著火焰由層流向渦流以及湍流轉變，管道中的燃氣快速燃燒膨脹，而后向兩端傳播，壓縮波向點火端傳播導致壓力峰值出現。

圖9 φH2=0 時管道內上游的壓力-時間曲線Fig.9 Pipeline upstream pressure-time curves of φH2=0

壓力峰值作為評估爆炸強度的重要依據，是爆炸分析過程中的重要環節。在圖9 中，3 種障礙物呈現的壓力曲線幾乎貼合。剛性障礙物的壓力峰值以極微弱的優勢高于其他兩種障礙物，壓力峰值從大到小依次為：55.78 kPa（剛性障礙物）、54.50 kPa（柔性障礙物A）和54.24 kPa（柔性障礙物B），柔性障礙物A 和柔性障礙物B 的壓力峰值相對于剛性障礙物分別降低了2.3%和2.8%。壓力峰值的變化規律與速度峰值的變化規律一致，但相較于φH2=0 時的速度峰值差距，壓力峰值的差距并不明顯。

圖10 為爆炸管道的下游壓力曲線，前期層流火焰推動的壓縮波在0～30 ms 時呈現緩慢的線性上升趨勢。渦流快速燃燒后，火焰蔓延加速導致壓力波陡然上升，達到壓力峰值。由于前期和后期的壓縮波重疊，導致管道下游的壓力峰值大于上游。上、下游的壓力曲線和壓力峰值均存在明顯差異。而分析爆炸管道下游的壓力曲線可以發現，剛性障礙物、柔性障礙物A 和柔性障礙物B 的壓力峰值依次為69.24、68.75 和58.21 kPa，柔性障礙物A 和柔性障礙物B 相對于剛性障礙物分別降低了0.7%和15.9%。

圖10 φH2=0 時管道內下游壓力-時間曲線Fig.10 Pipeline downstream pressure-time curves of φH2=0

在前期層流傳播過程中，爆炸管道內的壓力并未產生顯著差異?？梢钥吹?，在30 ms 后，壓力上升與壓力峰值的出現主要是由渦流快速燃燒導致。同樣的規律在圖7 和圖8 的速度曲線中同樣存在?？梢酝茰y，障礙物管道中的爆炸差異主要由后方產生的渦流導致，渦流差異主要由不同障礙物類型導致，因此，障礙物后方的渦流強度從大到小依次是：剛性障礙物、柔性障礙物A 和柔性障礙物B。

在圖11 和圖12 中，橫向對比了不同氫氣體積分數時的壓力峰值。隨著氫氣體積分數的增大，遇到不同障礙物時，管道內上下游的壓力峰值均呈現增大趨勢。結合火焰蔓延速度的變化，隨著氫氣體積分數的增大，管道內的燃料化學能更高。同時，爆燃反應開始后，氫氣體積分數上升使得管道內化學反應加快，火焰蔓延速度和壓力隨之增大。

圖11 管道內上游的壓力峰值-氫氣體積分數曲線Fig.11 Upstream pressure peak-hydrogen volume fraction curves in pipeline

圖12 管道內下游的壓力峰值-氫氣體積分數曲線Fig.12 Downstream pressure peak-hydrogen volume fraction curves in pipeline

在圖11 和圖12 的橫向對比中，遇到3 種障礙物時的上下游壓力曲線均呈現上升趨勢。剛性障礙物的促爆能力最強，因此，剛性障礙物的壓力峰值在4 種氫氣體積分數下均超過兩種柔性障礙物。當φH2=30%時，剛性障礙物、柔性障礙物A 和柔性障礙物B 的壓力峰值分別為67.65、63.99 和56.16 kPa。值得注意的是，隨著氫氣體積分數由零增大至30%，遇到剛性障礙物的壓力峰值上升了21.3%，遇到柔性障礙物A 時的壓力峰值上升了17.4%，遇到柔性障礙物B 時的壓力峰值上升了3.5%。3 種情況下的壓力峰值差距被擴大，說明氫氣體積分數上升導致的化學反應加快在不同管道內有著不同的效果。不同反應速率差異與不同障礙物導致了不同的渦流燃燒和湍流強度，這是導致3 種障礙物管道內速度和壓力差異的主要原因。

同時，在下游壓力峰值變化曲線中， φH2=30%時剛性、柔性障礙物A 及柔性障礙物B 的壓力峰值分別為91.34、89.64 和72.11 kPa。氫氣體積分數由零上升至30%后，遇到剛性障礙物的壓力峰值上升了31.9%，遇到柔性障礙物A 時的壓力峰值上升了30.4%，而遇到柔性障礙物B 時的壓力峰值上升了23.9%。剛性障礙物與柔性障礙物A 的壓力峰值氫氣體積分數由零上升至30%時的差值分別為0.49、3.59 kPa 和2.20、1.88 kPa；而剛性障礙物與柔性障礙物B 的峰值差值分別為11.03、14.22 kPa 和16.65、19.23 kPa?？梢悦黠@發現，3 種情況下的壓力峰值差距也有所擴大，相對于柔性障礙物B，柔性障礙物A的障礙物下游壓力峰值更加接近剛性障礙物。柔性障礙物受流固耦合推動，在流場中發生形變[29]，導致對流場及火焰的干擾存在差異。而在前期火焰速度接近的情況下，不同彎曲強度的障礙物會在爆炸發生過程中產生不同程度的形變，而形變后的有效阻塞率與促爆程度有著密切聯系。因此，有著較強彎曲強度的柔性障礙物A 獲得了接近剛性障礙物的促爆效果。

3 結 論

本研究通過爆炸實驗平臺進行了不同氫氣體積分數下3 種不同材料障礙物的甲烷混氫促爆實驗。通過采集到的管道內火焰圖像可以發現，障礙物在管道內干擾燃氣流場在后方產生渦流，加速了流場向湍流的轉變。渦流中心快速爆燃，產生高壓燃氣，推動火焰快速前進。這一過程在遇到不同材質障礙物時呈現了不同的效果。

(1) 柔性障礙物A 相較柔性障礙物B 的材質彎曲強度更高，在對管道內流場與爆炸火焰影響過程中，柔性障礙物A 的火焰形狀與蔓延速度較柔性障礙物B 更接近剛性障礙物。在氫氣體積分數為零時，火焰速度峰值相較于剛性障礙物減少了1.50 m/s，而柔性障礙物B 在實驗過程中的促爆強度明顯低于剛性障礙物，其火焰速度峰值減少了14.18 m/s，說明在促爆過程中，障礙物材質對爆炸后果存在顯著影響。

(2) 在爆炸管道的上下游進行爆炸壓力采集，前期的層流火焰使得管道內上游出現負壓區，并且使得下游壓力緩慢上升。在渦流燃燒發生后，渦流中心產生的高壓燃燒產物向管道兩端擴散，同時推動壓縮波向兩端前進，使得上下游達到壓力峰值。3 種不同障礙物管道內的壓力峰值存在明顯差異，即剛性障礙物管道內的壓力峰值大于柔性障礙物，柔性障礙物A 的壓力峰值大于柔性障礙物B。隨著氫氣體積分數的增加，3 種障礙物下的壓力峰值差距變大。