點火位置對氫氣-空氣預混氣體泄爆過程的影響*

曹 勇,郭 進,胡坤倫,邵 珂,楊 帆

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

點火位置對氫氣-空氣預混氣體泄爆過程的影響*

曹 勇,郭 進,胡坤倫,邵 珂,楊 帆

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

利用高速紋影和壓力測試系統對不同點火位置及不同破膜壓力條件下氫氣-空氣預混氣的泄爆特性進行研究。研究結果表明：在所有情況下，中心點火時火焰傳播速率和面積最大，產生了最大的內部壓力峰值，尾端點火時火焰傳播速率和面積次之，產生的內部壓力峰值也次之；前端點火時火焰傳播速率和面積均最小，產生了最小的內部壓力峰值。前端點火時，容器內部壓力出現了3個明顯的壓力峰值，中心和尾端點火時，只能觀察到第1個和第3個壓力峰值。并且，隨著破膜壓力的增加，中心和尾端點火時，火焰面積均增大，產生的內部壓力峰值均增大。在前端點火的條件下出現了聲學振蕩的現象，對內部壓力產生了顯著的影響。

爆炸力學;泄爆;破膜壓力;點火位置;氫氣

氫氣作為一種清潔能源，能夠很好地解決當今社會出現的溫室效應、燃燒氣體污染和對化石燃料依賴等問題。然而，由于氫氣具有爆炸極限范圍寬、最小點燃能量低等特點，導致氫氣能源在使用過程中存在著突出的爆炸安全問題。泄爆是指當容器內的爆炸壓力超過某個設定壓力時，預設的薄弱面首先破裂，高壓氣體迅速泄放，以減輕爆炸造成的災害和損失。因此，對于氫氣工作系統進行正確的泄爆安全設計，能夠有效地提高氫氣能源的安全性。對碳氫燃料的泄爆研究已經有很多[1-5]，對碳氫燃料泄爆的現象和機理的研究已經足夠深入，并且有了一系列的標準(如BS EN 14491[6]和NFP A68[7]等)。然而，與碳氫燃料相比，氫氣具有更高的燃燒速率，使氫氣泄爆的過程能夠在更短的時間內完成，產生的現象也更加復雜，人們對氫氣泄爆的實驗現象和規律還不夠清楚。B.Ponizy等[8]使用以往的壓力預測模型，對氫氣泄爆實驗得到的預測結果與實際情況進行對比，發現二者存在明顯的差異，這也表明氫氣泄爆的預測并不完全適用于已有標準。因此，進一步研究氫氣-空氣泄爆實驗，對氫氣混合物意外爆炸時產生的超壓進行準確地預測從而進行保護，是十分必要的。

在氫氣泄爆過程中，容器的體積、燃料的濃度和破膜壓力這些參數都可以進行預設，達到建立預測模型的目的。而發生氫氣爆炸時，具體的點火位置難以確定，所以我們對點火位置的影響進行了重點研究。V.Molkov等[9]研究了氫氣-空氣在大尺寸容器的泄爆實驗，考慮了不同點火位置作用，建立了多種參數的超壓預測公式；A.J.Harrion等[10]的實驗結果表明，較小的泄放面積情況下，氫氣-空氣泄爆會引發外部爆炸現象，這時點火位置對容器內部壓力峰值的大小有顯著的影響，尾端點火導致了最強的外部爆炸，產生了最大的內部壓力峰值；C.R.Bauwens等[11]在不同泄放面積下的氫氣泄爆實驗中，發現中心點火和前端點火分別產生了最大和最小的內部壓力峰值；而K.Kumar[12]對不同濃度的氫氣-空氣混合氣進行的大尺寸的泄爆實驗中，卻得出了前端和尾端點火產生了相近的內部壓力峰值的結論。上述實驗都只考慮了不同燃料濃度和不同泄放面積，卻都沒有涉及不同破膜壓力時點火位置對于內部超壓的影響；并且都僅僅分析了壓力的數據，而沒有對容器內部實際燃燒情況進行觀察。

本文中，在不同破膜壓力下，運用高速紋影系統記錄容器內部火焰的發展動態，并通過紋影圖片計算火焰傳播速率，結合壓力曲線和峰值的分析進一步研究不同點火位置對容器內部超壓的影響。這對于建立準確的爆炸壓力預測公式，正確地進行泄爆減壓設計，從而減輕氫氣意外爆炸帶來的危害，有著重要的意義。

圖1 實驗裝置和紋影系統示意Fig.1 Schematic photoes of explosion chamber and schlieren system

1 實 驗

圖1為實驗裝置示意圖，泄爆實驗在內徑25 cm、長25 cm的圓柱形容器進行，容器兩側各裝有一個厚5 cm、直徑30 cm的圓形石英玻璃，為高速紋影系統提供光路通道；高速相機的拍攝頻率為104s-1。容器中部連接截面7 cm×7 cm、長度10 cm的泄爆短管。圖中PT1和PT2是2個壓力傳感器，分別安裝在容器內部和泄放口處。每次實驗只使用其中的一個位置點火：前端點火(N1)、中心點火(N2)和尾端點火(N3)。

首先，用不同厚度的膜片封閉泄爆口，破膜壓力pv分別為0(無封口)、35、70、210和240 kPa。然后，將體積濃度為49%的氫氣-空氣混合氣體充入容器中；最后，由同步控制器輸出TLL信號，觸發點火系統點火氫氣-空氣預混氣，并同時觸發示波器和高速相機記錄相關數據。所有實驗在15 ℃室溫下進行，環境壓力約為100 kPa。

2 結果和討論

2.1 火焰特性

圖2 當pv=0時容器內部火焰紋影圖Fig.2 Schlieren photoes of internal flame generated by vented explosion in the vessel at pv=0

圖3 容器內部火焰傳播速率Fig.3 Flame propagation velocities in the vessel

圖2為pv=0(無封口)時泄爆容器內部火焰紋影圖， 圖3為根據火焰紋影圖像得到的火焰速度。

中心和尾端點火的情況下，點火之后火焰迅速形成球形和半球形向泄放口傳播，隨著火焰的擴展，通過自加速作用，火焰傳播速率不斷增大，到2 ms時分別達到35和40 m/s；在4和6 ms時，中心點火和尾端點火的火焰分別傳播至泄放口附近，火焰前鋒面受到強烈拉伸，使火焰傳播速率顯著增大，火焰最大傳播速率均達到75 m/s左右。在25 ms時，容器內部燃燒過程基本結束之后，外部火焰被吸入到容器中，使容器內部剩余燃料繼續燃燒。

前端點火情況下，點火之后火焰迅速向容器內部擴展，2 ms后受到泄放口氣流的強烈作用，使火焰表面呈現出不規則的形狀，火焰傳播方向發生了反轉，向容器外部傳播，火焰速率出現了負值； 4 ms后，火焰向容器內部傳播，可以看到火焰前鋒面不斷扭曲形成了湍流皺褶，之后火焰保持10～20 m/s速率向容器內部傳播。

通過圖2～3對比，可以得出：中心點火和尾端點火時，火焰更晚地受到泄放氣流的影響，燃燒地相對穩定，火焰面積和燃燒速率均很大；前端點火時，火焰距泄放口最近，較早地受到泄放氣流影響，火焰傳播速率和面積都最小，表面很大的皺褶和扭曲，燃燒過程很不穩定。

圖4為破膜壓力70 kPa時容器內部火焰的紋影圖片。與圖2進行對比，可以看出：由于泄爆封口的存在，容器內部形成了一個封閉的空間，封口破裂之前內部燃料進行層流燃燒，隨著破膜壓力不斷增大，封閉燃燒的時間不斷增加，火焰面積和傳播速率也不斷增大；在泄爆封口破裂之后，火焰逐漸扭曲變形，燃燒變得更加劇烈。可以得出結論：泄放口封閉時，內部壓力先增大至破膜壓力，泄放封口發生破裂；泄放封口破裂之后泄放口才會打開，火焰陣面開始出現湍流皺褶。

圖4 當pv=70 kPa時容器內部火焰紋影圖Fig.4 Schlieren photoes of internal flame generated by vented explosion in the vessel at pv=70 kPa

2.2 壓力變化規律

3種點火位置的壓力曲線中均出現了振蕩現象，由圖5可以看出，壓力曲線的振蕩總是出現在破膜壓力之后，這也說明了振蕩是由火焰傳播至泄放口之后形成的。值得注意的是：在破膜壓力pv=0時，前端點火的壓力信號中振蕩現象格外顯著。這是因為，在火焰通過泄放口向外傳播的階段，燃燒氣體和外界未燃氣體之間形成一個交界面，當交界面受到氣體運動的加速時，火焰會變得不穩定，增強了聲學的作用，形成了聲學振蕩。而中心點火和尾端點火的壓力曲線也出現了振蕩，這是因為，包裹著未燃氣體的燃燒火焰從泄放口噴射出來之后，火焰在外部點燃了帶出的未燃氣體，產生了二次爆炸現象。由圖2可以清晰地看出，容器內部火焰形成了很大的皺褶，這是因為二次爆炸產生的沖擊波和容器內部火焰相互作用，使容器內部火焰發生扭曲，內部壓力曲線也出現了明顯的振蕩。A.J.Harrion等[10]和G.Ferrara等[13]對甲烷進行了泄爆實驗，也在前端點火的條件下產生了振蕩的壓力峰值，可以推斷壓力的振蕩峰值的產生受到點火位置顯著影響。

圖5 不同破膜壓力下3種點火位置對應的內部壓力Fig.5 Pressure profiles of three igniter locations at various bursting pressures

由圖5可以直觀地看到：前端點火總是產生最小的內部壓力峰值，這可以解釋為相對于燃燒氣體而言，前端點火時泄放氣體具有更大體積流量，火焰接近泄放口時，傳播速率出現了急劇地下降(見圖3)，這反映了內部壓力也出現了一個迅速降低的過程。中心點火總是產生最大的內部壓力峰值，這可以解釋為，中心點火時火焰能夠更晚地與容器壁接觸，從而產生更小的熱量損失和更大的火焰面積；并且，中心點火產生的火焰能夠同時向泄放口和容器內部兩個方向擴展，這有利于發展不同的火焰不穩定性機制，如火焰到達泄放口之后，形成了泰勒不穩定性，從而促進了容器內部壓力的發展。

圖6 容器內部壓力峰值Fig.6 Peak pressures in the vessel

圖6給出了不同破膜壓力條件下容器內部的壓力峰值。由于泄爆封口的存在，使容器形成一個封閉的狀態，隨著破膜壓力不斷增大，點火之后，容器內部燃料進行封閉燃燒的時間也不斷增加，熱量損失不斷減少，并且更晚地進行燃燒氣體的泄放，從而使內部壓力峰值也增大。由圖6可以看到：中心和尾端點火產生的內部壓力峰值均隨著破膜壓力增加而不斷增加，中心點火產生的內部壓力峰值可達到350 kPa；除了pv=35 kPa情況，前端點火產生的內部壓力的峰值也隨著破膜壓力的增加而增大。隨著破膜壓力增大，延緩了封口破裂、氣體泄放的時間，減小了火焰噴出后發生二次爆炸的可能性；并且，泄爆封口破裂之前燃燒時間的增加，也減少了聲學作用的時間，減弱了聲學的振蕩現象。由圖5可以看出，隨著破膜壓力增大，3種點火位置的壓力曲線中振蕩變得越來越弱，當pv=210 kPa時，中心點火的壓力曲線振蕩現象已經消失。

3 結 論

(1) 中心點火時，火焰同時朝泄放口和容器內部傳播，接觸容器壁的時間最晚，火焰面積和傳播速率最大。尾端點火時，火焰向泄放口傳播，火焰面積和傳播速率次之。前端點火時，火焰先向容器內部傳播，隨后由于泄放口氣流的作用，傳播方向發生反轉；最后火焰繼續向容器內部傳播，由于泄放氣流有很大的體積流量，火焰面積和傳播速率總是最小。

(2) 在前端點火時，容器內部壓力曲線出現了3個明顯的壓力峰值。而在中心點火和尾端點火時，只能觀察到第1個和第3個壓力峰值。在所有條件下，中心點火總是產生了最大的內部壓力峰值，尾端點火次之，前端點火的內部壓力峰值總是最小。泄爆封口破裂后，3種點火位置的壓力曲線均產生了振蕩現象。前端點火時，振蕩現象最顯著。

(3) 破膜壓力對火焰傳播和容器內部壓力峰值有很大影響。隨著破膜壓力的不斷增大，容器內部燃料封閉燃燒的時間不斷增加，延緩了氣體泄放的時間，火焰面積和傳播速率均增大，容器內部壓力峰值也不斷升高。破膜壓力的增大，也減弱了火焰的不穩定性和聲學振蕩現象。3種點火位置的內部壓力峰值，均隨著破膜壓力增加而增大。

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(責任編輯 丁 峰)

Effect of ignition locations on vented explosion of premixed hydrogen-air mixtures

Cao Yong, Guo Jin, Hu Kunlun, Shao Ke, Yang Fan

(AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)

In this work experiments were carried out to investigate the effect of ignition locations and vent burst pressures on the pressure profile and the flame propagation during explosion venting of hydrogen-air mixtures. The results indicate that, in all the cases, the central ignition leads to the largest flame areas, the highest flame propagation velocities and peak pressures peak pressures; compared with that of the central ignition, the effect of the rear ignition on the flame propagation velocity, the flame areas and the peak pressures is reduced, while the front ignition results in the smallest flame areas, the lowest flame propagation velocity and peak pressures. For the front ignition, the pressure profile exhibits three peak pressures which correspond to the following three successive stages, but for the central and rear ignition, only the first and the third peak pressure can be found. Furthermore, both the peak pressures and the flame areas increase with the bursting pressure. Overpressure measurements made inside the chamber show clearly that the acoustic oscillation occurs and the internal pressures were influenced by the external explosion.

mechanics of explosion; vented explosion; burst pressure; igniter locations; hydrogen

10.11883/1001-1455(2016)06-0847-06

2015-03-19； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-06-10

2015-06-10

曹 勇(1991— )，男，碩士研究生;

胡坤倫,klhu999@sina.com。

O382.1 <國標學科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1303520 文獻標志碼：A國標學科代碼：1303520

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