氫氣/丙烷/空氣預混氣體爆轟性能的實驗研究*

程關兵,李俊仙,李書明,瞿紅春

(中國民航大學航空工程學院，天津 300300)

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氫氣/丙烷/空氣預混氣體爆轟性能的實驗研究*

程關兵,李俊仙,李書明,瞿紅春

(中國民航大學航空工程學院，天津 300300)

通過采用壓力傳感器和煙灰板兩種測試設備，開展了常溫常壓下氫氣/丙烷和空氣混合氣體爆轟性能的實驗研究。實驗過程中觀察到自持爆轟波，爆轟速度比值在0.99～1之間，爆轟壓力比值在0.8～1.2之間。爆轟胞格尺寸在10～50 mm范圍內，建立了爆轟胞格尺寸和化學誘導長度的關系式。隨著丙烷不斷添加，爆轟速度減小，而爆轟壓力和胞格尺寸增加。這種變化趨勢起初較快，而后變緩。因為起初氫氣摩爾分數較大，混合氣體趨向于氫氣/空氣的爆轟性能；而后因丙烷摩爾質量較大，丙烷逐漸起主要作用，混合氣體表現出丙烷/空氣的爆轟性能。

爆炸力學；爆轟壓力；壓力傳感器；氫氣；丙烷；爆轟速度；爆轟胞格尺寸

與常規碳氫燃料相比，氫氣具有熱值高、燃燒產物中不含碳氫化合物和二氧化碳等優點，被視為一種替代能源載體[1-2]。然而，氫氣某些特性(較高反應活性、較低點火能、較寬泛的燃燒濃度范圍以及易于擴散等)，使得氫氣在發生泄漏后，在火源點燃后火焰不斷加速，在某些特定條件下(如障礙物、較強的紊流水平以及較高的初溫初壓等)可能出現湍流燃燒、爆燃甚至爆轟等情況[3]。因此，氫氣在存貯、運輸、使用和分配過程中可能存在安全隱患。近年來，研究者嘗試在氫氣/空氣預混氣體中添加少量鏈烷(如甲烷和乙烯)，以此降低前者反應活性和爆轟性能，一定程度上抑制了氫氣爆炸發生[4-10]。如O.Bozier等[8]、R.Sorin等[9]通過向氫氣/空氣預混氣體添加少量甲烷，爆轟胞格尺寸λ也相應地增加。因此，向氫氣/空氣混合氣體中添加少量的鏈烷不失為一種減少氫氣爆炸災害的方法。

當前，有關氫氣/丙烷和空氣混合氣體爆轟性能的研究仍很少。K.Takita等[6]、C.Matignon等[7]、O.Bozier等[8]、R.Sorin等[9]和N.Chaumeix等[10]分別從不同角度開展二元燃料氫氣/甲烷、氫氣/乙烷、甲烷/乙烷和空氣混合氣體爆轟特性的實驗研究，獲得一定量的上述混合氣體爆轟性能參數，如爆轟速度v、壓力p以及胞格尺寸λ等。本文中，以常溫常壓下二元燃料氫氣/丙烷和空氣預混氣體為研究對象，采用壓力傳感器和煙灰板兩種測試設備，測量表征該混合氣體的爆轟性能參數爆轟速度v、壓力p以及胞格尺寸λ等，建立胞格尺寸λ和Zeldovich-Neumann-Doring(ZND)化學誘導區長度Li的關系式，以期在氫氣爆炸災害預防方面積累一定量的實驗數據。

1 實驗設備和測試系統

實驗系統包括爆轟實驗管道、數據采集分析系統、測試系統、點火系統和配氣系統等，如圖1所示。所有實驗均在長度12 m、管徑92 mm和兩端封閉的不銹鋼圓管中進行。該爆轟實驗管道由左邊(3 m)和右邊(9 m)兩部分組成。管左邊部分上有9個用于安裝壓力傳感器的安裝孔，每兩個相鄰孔間距為10 cm；管右邊末端部分有2個用于安裝壓力傳感器的安裝孔，兩個相鄰孔間距為50 cm。為了加速火焰，采用了阻塞比0.5、長度3 m以及銅質的Schelkin螺紋管。測試系統包括壓力傳感器、數據采集線、與壓力傳感器相連的放大器以及數據采集系統(Graphtec GL1100硬盤式數據收集記錄儀)等。共采用了11個Kistler 603B型石英壓電式壓力傳感器，響應時間約為1 μs。其中，在管左邊部分安裝了9個壓力傳感器，用于記錄火焰在Schelkin螺紋管影響下加速過程中前鋒面到達時間和壓力。在管右邊末端部分安裝的兩個壓力傳感器，用于確定自持爆轟速度和壓力。另外，在傳感器對面布置有煙灰板，用于記錄爆轟波軌跡，以此來確定胞格尺寸。在實驗管道左端面中心位置處，安裝了1個汽車通用火花塞點火裝置，點火能量約為15 mJ，點火裝置與相應的觸發裝置相連。

圖1 實驗設備系統圖Fig.1 Sketch of experimental setup

在常溫常壓下，采用按一定比例配比的氫氣、丙烷和空氣混合氣體。相關參數定義為：Φ[xH2+(1-x)C3H8] + (5-4.5x)[O2+3.76N2]。其中，Φ為混合氣體的化學當量比，x為在二元燃料氫氣/丙烷中的氫氣摩爾分數。本文中混合氣體，Φ=1.1，0.5≤x≤1.0。

對于每種混合氣體，實驗至少重復3次，以保證實驗結果可重復性。實驗時，首先對爆轟實驗管道抽真空，將通過分壓法配好的預混氣體填入管道中，發出點火信號，點燃混合氣體。火焰在Schelkin螺紋管作用下不斷加速，最后到達自持爆轟波。通過分析爆轟實驗管道右端部分上的壓力傳感器所得的壓力信號，數據采集系統對爆轟速度v和壓力p進行測量和分析。通過管末端的煙灰板測量該混合氣體的爆轟胞格尺寸λ。

2 結果與分析

2.1 爆轟速度和壓力

2.1.1 爆轟速度和壓力的測量

圖2 爆轟速度和壓力測量原理圖Fig.2 Example of determination of detonation velocity and pressure for the mixtures

通過位于爆轟管道右端的兩個壓力傳感器(T10和T11)記錄爆轟波到達傳感器時刻，可獲得爆轟速度v和壓力p的實驗值，測量原理如圖2所示。對于爆轟速度，測量爆轟波到達傳感器的時間t，可求得平均位置處的平均速度v，即v=l/(t11-t10)，其中t10、t11分別為爆轟波到達第10個和第11個傳感器的時刻。l是第10個和第11個傳感器的距離間隔，l=50 cm。對于爆轟壓力，當爆轟速度達到理論Chapman-Jouguet (CJ) 值的99%及其以上時，爆轟波后壓力pfront為爆轟壓力p的80%左右[11]。本文中采用此法確定爆轟壓力p的實驗值。圖2中，通過該方法測量H2/C3H8-Air混合氣體(Φ=1.1，x=0.95)的爆轟速度和壓力分別為1.938 km/s和1.75 MPa。

2.1.2 爆轟速度

為了更好地分析所獲得的實驗結果，結合Chemkin程序和Gri Mech 3.0[12]化學動力機理，計算氫氣和丙烷的質量分數w(H2)和w(C3H8)、CJ爆轟速度vCJ、壓力pCJ和ZND化學誘導區長度Li，結果如表1所示。

表1 混合氣體爆轟性能參數的理論值Table 1 CJ detonation theoretical values of the studied mixtures

圖3是實驗所測得的爆轟速度v和爆轟速度比值v/vCJ隨氫氣摩爾分數x變化的關系圖。由圖3可知：(1)實驗所測得的爆轟速度總是略低于CJ爆轟速度，其比值v/vCJ在0.99～1之間，即在管末端已經達到自持爆轟波。(2)隨著氫氣摩爾分數x增加，爆轟速度v從1.832 km/s增加到2.005 km/s。但爆轟速度增加起初較慢，而后增加較快。因為丙烷摩爾質量大于氫氣的摩爾質量，當氫氣摩爾分數x增加時，丙烷質量分數w(C3H8)起初下降程度較小，而后減少程度較快，如表1所示。當x從0.5增加到0.8時，丙烷質量分數w(C3H8)從95.65%逐漸減小到84.62%；但當x從0.8增加到1.0時，丙烷質量分數w(C3H8)下降較明顯。

圖3 爆轟速度Fig.3 Detonation velocity

圖4 爆轟壓力Fig.4 Detonation pressure

2.1.3 爆轟壓力

圖4表示實驗所得的爆轟壓力p和爆轟壓力比值p/pCJ隨氫氣摩爾分數x變化的關系圖。由圖4可知：(1)爆轟壓力實驗值p總體趨勢隨氫氣摩爾分數x增加而減小，但爆轟壓力減小起初較慢，而后較快。(2)爆轟壓力p變化在1.3～2.2 MPa之間。(3)爆轟壓力比值p/pCJ變化在0.8～1.2之間，即p=(1±20%)pCJ, 爆轟壓力p的實驗值和理論pCJ的差值可能是由通過爆轟波后壓力pfront確定爆轟壓力p的方法所引起的。

2.2 爆轟胞格尺寸

2.2.1 胞格尺寸的測量

采用煙跡法可獲得混合氣體爆轟胞格尺寸λ。在實驗過程中，在爆轟管道右端兩個壓力傳感器(T10和T11)對面位置處放置煙灰板，記錄爆轟波傳播軌跡。在煙灰板內圓柱面放置圓形刻度尺，并對煙灰板拍照，可測量爆轟胞格尺寸的大小。為了減小測量誤差，選取煙灰板中段部分作為測量段。對于每種混合氣體，測量胞格數量不低于50個。當丙烷添加量較大時，需多次重復實驗，以便獲得足夠多的胞格實驗數據。圖5是3種不同組分燃料(Φ=1.1;x=0.6，0.7,0.95)的典型爆轟胞格結構圖。由圖5可知：隨著丙烷不斷增加，爆轟胞格尺寸逐漸增加，胞格結構趨于規則。

2.2.2 胞格尺寸的變化

圖6是爆轟胞格尺寸λ、胞格比值λ/λ1隨氫氣摩爾分數x變化的關系圖。λ1是混合氣體(Φ=1.1,x=1)的爆轟胞格尺寸，定義胞格比值λ/λ1主要用于判斷胞格尺寸隨x變化程度。由圖6可知：(1) 爆轟胞格尺寸變化在10～50 mm 范圍內。對于本文中混合氣體，爆轟胞格尺寸最大值小于爆轟實驗管道內徑，且管道足夠長，因此，實驗中能觀察到穩定自持爆轟波。(2) 隨著氫氣摩爾分數減少，胞格尺寸逐漸增加。起初增加快，而后增加逐漸放慢。當x從1.0減小到0.8時，爆轟胞格尺寸增加了約2.5倍；而當0.5≤x≤0.7時，胞格比值λ/λ1變化在4.5～5范圍內，即胞格尺寸λ為45～50 mm，這與常溫常壓下、當量比為1時丙烷/空氣混合氣體的爆轟胞格尺寸大小相當。由表1和圖6可知，這種變化趨勢主要是因為丙烷摩爾質量較大，但氫氣摩爾分數x起初較大，爆轟胞格尺寸較小，混合氣體趨向于氫氣/空氣的爆轟性能。隨著x進一步減少，丙烷的摩爾質量分數逐漸增加，丙烷進一步降低了原混合氣體反應活性，前驅激波波后溫度增加，延長了化學誘導時間和長度。丙烷逐漸起到主要作用，混合氣體表現出丙烷/空氣的爆轟性能。

圖7 化學誘導長度Fig.7 Chemical induction length

2.3 胞格尺寸和化學誘導長度的關系

圖7是ZND化學誘導長度Li和比值λ/Li隨氫氣摩爾分數x變化的關系圖。對所研究的混合氣體，ZND化學誘導長度Li計算結果見表1。圖7中所示的爆轟胞格尺寸為多次實驗測量值的平均值。由圖7可知：(1)ZND誘導長度Li隨氫氣摩爾分數增加而減小。(2)比值λ/Li變化在37～43范圍內，即λ= (1±10%)40Li。(3)比值λ/Li變化與氫氣摩爾分數x無關。

3 結 論

(1)實驗中觀察到穩定自持爆轟波。

(2)往氫氣/空氣混合氣體中添加丙烷削弱了前者的爆轟性能。隨著丙烷不斷增加，氫氣摩爾分數減少，爆轟速度減小，爆轟壓力和胞格尺寸增加。這種變化趨勢起初較快，而后逐漸變緩。因為丙烷摩爾質量較大，但起初氫氣摩爾分數x較大，混合氣體趨向于氫氣/空氣的爆轟性能。隨著x減少，丙烷摩爾質量分數逐漸增加，丙烷逐漸起主要作用。丙烷增加，提高了前驅激波波后溫度，延長了化學誘導時間和長度，混合氣體表現出丙烷/空氣的爆轟性能。

(3)爆轟胞格尺寸和ZND化學誘導長度的比值約為40。

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(責任編輯 丁 峰)

An experimental study on detonation characteristics of binary fuels hydrogen/propane-air mixtures

Cheng Guan-bing, Li Jun-xian, Li Shu-ming, Qu Hong-chun

(AeronauticalEngineeringCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

The paper is aimed to experimentally probe the detonation characteristics of the binary fuel hydrogen/propane-air mixture. The experiments were conducted in an obstructed cylindrical tube with a 92-mm inner diameter and a 12-m length at normal pressure and temperature. Eleven instrument ports and eleven piezoelectric pressure transducers were adopted on the tube wall surface. A Schelkin spiral with a blockage ratio of 0.5 and a pitch with inner diameter as the tube and with the length of 3 m were used to accelerate the flame propagation until the detonation initiated. The studied binary fuel mixtures with equivalence ratio of 1.1 and hydrogen molar fraction varying from 0.5 to 1.0 were prepared by the partial pressure and ignited via a spark plug at about 15-mJ discharge energy. The detonation characteristic parameters such as velocity, pressure and cell size were achieved with pressure transducers and smoking foils, respectively. It can be therefore concluded that the self-sustained detonation is observed as follows: (i) detonation velocity ratiov/vCJvaries from 0.99 to 1.0 and pressure ratiop/pCJchanges from 0.8 to 1.2; (ii) detonation cell size varies from 10 mm to 50 mm. When propane is added to hydrogen/air mixtures, the detonation velocity decreases, but the pressure and cell size inversely increase. The variation trends of the detonation parameters at the beginning change quickly because the detonation characteristics of hydrogen/propane-air mixtures are similar to those of hydrogen/air due to the larger hydrogen molar fraction. Afterwards, the trends gradually slow down because the increasing molar fraction of propane with heavier molecular mass in the mixtures which plays a dominant role in the binary fuels. At last, a relationship between detonation cell size and ZND chemical induction length was obtained. Thus, our conclusion can provide the experimental data in the hydrogen explosion hazard prevention.

mechanics of explosion; detonation velocity; piezoelectric pressure transducer; hydrogen; propane; detonation velosity; detonation cell size

10.11883/1001-1455(2015)02-0249-06

2013-07-24；

2014-04-23

中央高校基本科研業務費專項項目(ZXH2012J001)

程關兵(1977— )，男，博士，講師，forrest_cgb@163.com。

O381 國標學科代碼： 1303510

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