高壓氫氣泄漏自燃形成噴射火的實驗研究*

閆偉陽，潘旭海,2，汪志雷，華 敏,2，蔣益明，王清源，蔣軍成,2

（1. 南京工業(yè)大學安全科學與工程學院，江蘇 南京 210009；2. 南京工業(yè)大學江蘇省危險化學品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210009）

氫能作為一種清潔能源，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場潛力。1980 年聯(lián)合國召開的“聯(lián)合國新能源和可再生能源會議”提出應(yīng)該大力發(fā)展氫能等新能源，希望通過逐步減少化石燃料的使用來降低大氣的環(huán)境污染和減少溫室氣體的排放。氫能是一種具有極高地位的戰(zhàn)略能源。目前，很多發(fā)達國家正在大力發(fā)展氫氣能源和氫燃料電池[1]。但是，氫氣的一系列不安全特性，如極低的點火能（僅為0.017 mJ[2]），較寬的燃燒范圍（體積比4%～75%），以及較強的泄漏特性等導(dǎo)致氫氣極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故。氫氣的這些危險性制約著氫氣的廣泛使用和發(fā)展，氫氣的安全問題是氫能在推廣和使用過程中面臨的重大挑戰(zhàn)。

高壓儲氫是目前氫氣儲存的最佳方式，然而高壓儲氫一旦泄漏釋放，很容易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。Xu 等[3]通過統(tǒng)計676 起高壓氫氣泄漏的災(zāi)害事故，發(fā)現(xiàn)高達61.98%的事故中無明顯的點火源，該類事故通常被認為是氫氣泄漏后發(fā)生了自燃。1973 年，Wolinski 等[4]在激波管的實驗中發(fā)現(xiàn)在周圍環(huán)境溫度低于氫氣自燃溫度的條件下，氫氣仍然可以發(fā)生自燃。Dryer 等[5]在氫氣泄放實驗中未使用下游管道，發(fā)現(xiàn)氫氣自燃很難發(fā)生，他們認為采用下游泄放管道是氫氣自燃的必要條件，因為泄放管道為高壓氫氣發(fā)生膨脹和激波加熱混合氣體提供了空間。Mogi[6]先采用長度為3 mm 的管道進行實驗，發(fā)現(xiàn)即使釋放壓力達到20 MPa 時，氫氣仍很難發(fā)生自燃。隨后，Mogi 等[7]在實驗中采用不同長度的管道進行氫氣的泄放實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著管道長度增加氫氣自燃的初始釋放壓力逐漸減小。Lee 等[8]與Mogi 等[7]在不同的實驗研究中得出了相同的結(jié)論，即在一定管道長度范圍內(nèi)，隨著泄放管道長度的增加氫氣自燃發(fā)生的可能性會增大，同時氫氣自燃所需要的最小釋放壓力也會降低，他們認為泄放管道長度的增加可以為氫氣和空氣的混合提供充足的時間從而促進其發(fā)生自燃。Kitabayashi 等[9]研究了較長管道下氫氣自燃的初始釋放壓力與管道長度的關(guān)系，實驗發(fā)現(xiàn)當管道長度超過1 200 mm 以后，高壓氫氣發(fā)生自燃的初始釋放壓力反而會升高。

圖1 所示為高壓氫氣泄漏自燃的擴散點火理論示意圖。高壓氫氣從管道中突然釋放至常壓空氣，會在氫氣射流前端形成前導(dǎo)激波[10-14]。前導(dǎo)激波、激波與激波之間的相互作用、以及高速氣流與管壁之間和高速氣流之間的高速摩擦會加熱前導(dǎo)激波后方的氫-空氣混合區(qū)域。當氫-空氣混合區(qū)域溫度達到氫氣自燃溫度且氫氣濃度處于點火范圍，經(jīng)過一段時間的點火延遲后，氫氣自燃現(xiàn)象便會發(fā)生。段強領(lǐng)等[10]根據(jù)擴散點火理論，結(jié)合激波管流動理論解釋了氫氣自燃現(xiàn)象，他們認為激波、激波反射和激波聚焦等多維激波結(jié)構(gòu)可以加熱氣體使得氫氣發(fā)生自燃，而不同的管道長度、直徑和形狀則會影響多維激波結(jié)構(gòu)的生成從而改變氫氣自燃的臨界條件。Golub 等[11-12]利用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫氣-空氣混合氣體泄漏后溫度的升高是導(dǎo)致氫氣自燃的關(guān)鍵因素，只有混合氣體達到高于氫氣自燃點的高溫后才可以誘發(fā)著火。為直接觀察激波在管道內(nèi)傳播的過程，Kim 等[13]采用透明的矩形泄放管道，實驗結(jié)果表明，氫氣自燃發(fā)生在混合區(qū)前沿的邊界層，且火焰沿邊界層向混合區(qū)前沿和混合區(qū)尾部傳播，并且觀察到最初點火位置始終在混合區(qū)邊界層的混合點處。Grune 等[14]利用紋影技術(shù)研究透明圓形管道中高壓氫氣的泄放過程，實驗發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)激波和氫氣-空氣接觸面之間形成了多維的反射激波。Kaneko 等[15]在實驗中觀察到了管道中的激波和自燃誘導(dǎo)產(chǎn)生的環(huán)形火焰，并且發(fā)現(xiàn)隔膜破裂過程是影響氫氣自燃的重要因素之一。Kaneko 等[16]采用透明管道（管道材質(zhì)為有機玻璃）進行高壓氫氣泄放實驗，發(fā)現(xiàn)高壓氫氣穿過隔膜與靠近管壁的熱空氣混合，隨后混合氣體發(fā)生自燃，且實驗結(jié)果表明氫氣發(fā)生自燃嚴重依賴于膈膜破裂時產(chǎn)生沖擊波的強度。

圖 1 高壓氫氣泄漏自燃的擴散點火理論Fig. 1 Diffusion ignition theory of high-pressure hydrogen self-ignition

綜述國內(nèi)外文獻研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)學者的實驗以及模擬的管道長度集中于1 000 mm 以下的短管道，且他們發(fā)現(xiàn)隨著管道長度的增加初始釋放壓力會降低。僅Kitabayashi 等[9]發(fā)現(xiàn)當管道長度大于1 200 mm 時，隨著管道長度的增加導(dǎo)致氫氣自燃的初始釋放壓力會增加，但他們并沒有研究高壓氫氣釋放后的在管道內(nèi)部不同位置的壓力變化和氫氣管內(nèi)自燃情況以及噴射火焰形態(tài)的演變過程。本實驗采用壓力傳感器記錄管道內(nèi)的壓力變化，通過光電傳感器監(jiān)測高壓氫氣在管道內(nèi)的自燃情況及確定氫氣自燃可能發(fā)生的起始區(qū)域，高速攝像記錄管內(nèi)自燃火焰向管外火焰發(fā)展的演變過程。論文通過對300 mm到3 000 mm 的管道長度下的泄放實驗研究，旨在探究高壓氫氣泄漏自燃時的臨界初始釋放壓力隨管道長度的變化規(guī)律、管內(nèi)激波的傳播特性以及高壓氫氣泄漏自燃形成噴射火焰的形態(tài)變化過程。

1 實驗設(shè)置

高壓氫氣泄漏模擬實驗裝置示意圖如圖2 所示。實驗裝置由氣瓶組、高壓氫氣儲罐、含爆破片的夾持器、高壓泄放管道、真空泵、高速攝像機、示波器、壓力和光電測量系統(tǒng)等組成。氫氣（純度99.99%）為實驗氣體；氮氣（純度99.99%）主要用于前期測量系統(tǒng)的測試、實驗前的氣密性檢查以及尾氣吹掃。整套裝置設(shè)計最高承壓30 MPa。實驗采用的泄放管道材質(zhì)為316 L 不銹鋼，高壓泄放管道是由三段等長度管道通過真空連接徑向密封方式連接而成，爆破片到管道噴口之間的距離即為泄放管道長度，泄放管道長度為300、700、1 200、1 700、2 200 和3 000 mm，管道直徑為10 mm；P1～P4為壓力傳感器，L1～L4為光電傳感器，壓力傳感器與光電傳感器對稱分布。綠色部分與黃色部分為爆破片夾持器，紫紅色部分為爆破片，傳感器P1距離爆破片65 mm，傳感器P4距離尾噴口55 mm。管壁的壓力傳感器為壓電式壓力傳感器；管壁光電傳感器。控制氫氣釋放的裝置是帶有 “十”字減弱槽的平板帶槽型樣式爆破片，如圖3(b)所示。管道部件的連接方式如圖3(a)所示。

圖 2 高壓氫氣泄漏模擬實驗裝置示意圖Fig. 2 Illustration of the experimental platform

實驗時首先關(guān)閉2 號閥門并安裝爆破片，然后用真空泵將爆破片上游的儲罐和管道抽成真空，之后啟動數(shù)據(jù)測量儀器，然后開啟氫氣氣瓶閥門，之后打開閥門1 注入氫氣直至爆破片破裂后，立即關(guān)閉閥門1 和氫氣氣瓶閥門，然后開啟閥門1，打開氮氣氣瓶閥門吹掃，最后吹掃完畢，關(guān)閉氮氣閥門，關(guān)閉閥門1，保存數(shù)據(jù)，準備下一組實驗。實驗過程中抽真空結(jié)束后，向主體容器的進氣流量約為0.6 m3/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 管道長度與氫氣泄漏自燃時臨界初始釋放壓力的關(guān)系

圖4 是氫氣自燃時管道長度與初始釋放壓力的關(guān)系圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，同一管道長度下，初始釋放壓力較低時，氫氣泄漏不會發(fā)生自燃現(xiàn)象，只有當初始釋放壓力超過某一臨界值后，氫氣泄漏后才會發(fā)生自燃。氫氣射流的膨脹冷卻作用會導(dǎo)致氫-空氣混合區(qū)域（即圖1 的2 區(qū)）溫度低于其自燃溫度，這是導(dǎo)致初始釋放壓力較低時氫氣泄漏后不易發(fā)生自燃的主要原因[10]。隨著初始釋放壓力的增加，氫-空氣混合區(qū)（即圖1 的2 區(qū)）和射流區(qū)（即圖1 的3 區(qū)）的流動加強，在接觸面的氫和空氣混合加劇，進而導(dǎo)致混合氣體受到的激波壓縮、激波干擾升溫作用以及高速氣流與管壁之間、高速氣流之間摩擦生熱作用增強，進而促進氫氣發(fā)生自燃。從圖4 中高壓氫氣泄漏自燃的變化曲線還可以發(fā)現(xiàn)，在管道直徑(即，10 mm)不變的條件下，存在一個管道長度(即，1 700 mm)的拐點。當管道長度從300 mm增加至1 700 mm 時，臨界初始釋放壓力隨長度的增加而緩慢減小；管道長度大于1 700 mm 時，臨界初始釋放壓力隨長度的增加而陡增；而管道長度達3 000 mm 時，初始釋放壓力即使高至12.15 MPa，都未發(fā)生自燃的現(xiàn)象。

圖 4 氫氣自燃時管道長度與初始釋放壓力的關(guān)系Fig. 4 Pipe lengths vs. initial release pressure of hydrogen self-ignition

2.2 高壓氫氣釋放后在泄放管道內(nèi)的傳播過程

圖5 是壓力傳感器P1在前3 000 μs 內(nèi)監(jiān)測到的壓力變化過程，釋放條件為管長700 mm、釋放壓力3.04 MPa。傳感器P1的設(shè)計安裝位置距離爆破片為65 mm，將傳感器P1探測到壓力瞬間上升的時刻定為t0。從圖中發(fā)現(xiàn)首次壓力急劇上升時間為15 μs，這表明前導(dǎo)激波開始形成。整個壓力變化過程可分為3 個階段，即圖中所示的t0～t1、t1～t2和t2～t3。

在t0到t1階段，管內(nèi)壓力呈現(xiàn)3 次突升的變化過程，這與爆破片的多步破裂行為有關(guān)。爆破片的多步破裂行為會導(dǎo)致壓力傳感器監(jiān)測到的壓力在波動中迅速上升[10]。在t1時，管內(nèi)上升壓力達到最高值，爆破片完全破裂，這時所需要的時間約為125 μs。

圖 5 壓力傳感器P1 監(jiān)測到的壓力波形變化Fig. 5 Pressure waveform variation monitored by pressure sensor P1

在t1到t2階段，管內(nèi)壓力是一個先短暫下降后波動上升的過程。氫氣經(jīng)爆破片突然釋放后會發(fā)生劇烈膨脹，其形成的膨脹波會導(dǎo)致壓力發(fā)生急劇下降。之后，隨著氫氣射流的到來會導(dǎo)致傳感器監(jiān)測到管內(nèi)壓力上升。之后，壓力出現(xiàn)波動，推測主要是管道內(nèi)由激波、反射激波以及激波相互作用等形成的多維激波結(jié)構(gòu)造成的[17-18]。再然后，壓力出現(xiàn)突升，推測主要是氫氣射流內(nèi)產(chǎn)生了稀疏波，稀疏波隨射流向下游傳播并作用于壓力傳感器所致。在t2到t3階段，由于儲罐內(nèi)壓力的逐步下降和氫氣射流的不斷膨脹，管內(nèi)壓力出現(xiàn)逐步下降。

圖6 和圖7 分別是管長1 700 mm 下初始釋放壓力為3.70 MPa 和5.79 MPa 時的壓力圖和光電圖。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，高壓氫氣突然釋放后，傳感器P1、P2和P3監(jiān)測到的前導(dǎo)激波強度變化較小；當前導(dǎo)激波傳播至管道末端時，傳感器P4監(jiān)測到的前導(dǎo)激波強度出現(xiàn)明顯下降。激波在管道內(nèi)的傳播過程中，激波反射和激波相互作用等形成的多維激波結(jié)構(gòu)會使前導(dǎo)激波強度增強[9]，而流體粘性的影響、前導(dǎo)激波與管壁之間的摩擦以及湍流邊界層產(chǎn)生的激波能量耗散作用則會導(dǎo)致前導(dǎo)激波強度降低[19]。通過傳感器P1、P2和P3監(jiān)測到的壓力變化可以發(fā)現(xiàn)，當前導(dǎo)激波在管道前段部分傳播時，前導(dǎo)激波強度由于受到增強效應(yīng)（多維激波結(jié)構(gòu)等）和減弱效應(yīng)（能量耗散作用等）的共同作用，進而導(dǎo)致前導(dǎo)激波的強度保持在恒定值附近上下波動；當前導(dǎo)激波傳播至管道末端時，減弱效應(yīng)在前導(dǎo)激波的傳播過程中占據(jù)了主導(dǎo)地位，所以前導(dǎo)激波的強度發(fā)生了明顯降低。激波平均傳播速度是根據(jù)兩個相鄰的壓力傳感器的距離以及前導(dǎo)激波到達時間之差的比計算得來的。通過計算，當與爆破片距離的區(qū)間為65 mm 到592 mm、592 mm 到1 118 mm、1 118 mm 到1 645 mm 時，在初始釋放壓力為3.70 MPa 下，分別所對應(yīng)的激波平均傳播速度分別為1 106 m/s、1 003 m/s、975 m/s；在初始釋放壓力為5.79 MPa 下，分別所對應(yīng)的激波平均傳播速度為1 281 m/s、1 205 m/s、1 106 m/s。通過光電圖可以發(fā)現(xiàn)，初始釋放壓力為3.70 MPa時，光電傳感器L3首先接收到光電信號，說明氫氣泄漏自燃的位置在傳感器L2與傳感器L3之間；初始釋放壓力為5.79 MPa 時，光電傳感器L1首先接收到短暫光電信號，說明氫氣泄漏自燃的位置在傳感器L1附近。因此，與釋放壓力3.70 MPa 時相比較，釋放壓力5.79 MPa 時的氫氣管內(nèi)泄漏自燃位置距離爆破片更近。

圖 6 管道長度1 700 mm 下的2 組實驗壓力圖Fig. 6 Pressure of pipe length 1 700 mm

圖 7 管道長度1 700 mm 下的2 組實驗光電圖Fig. 7 Photo-electricity of pipe length 1 700 mm

圖 8 管長700 mm 不同初始釋放壓力下的激波傳播速度圖Fig. 8 Shock wave propagation speed of pipe length 700 mm under different initial release pressures

圖8 是管長700 mm 下不同初始釋放壓力時激波平均傳播速度的變化圖，激波平均傳播速度是根據(jù)兩個相鄰的壓力傳感器的距離以及前導(dǎo)激波到達時間之差的比計算得來的。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，初始釋放壓力越大，激波平均傳播速度越快。根據(jù)激波管流動理論，初始釋放壓力越大，高壓氫氣突然釋放后形成的前導(dǎo)激波強度越大，激波平均傳播速度越快。高壓氫氣初始釋放階段，由于爆破片的多步破裂行為會不斷產(chǎn)生新的壓縮波，所以激波平均傳播速度會先有一個短暫的增大過程[10]。當爆破片完全破裂后，將不會再產(chǎn)生新的壓縮波，而沒有新的壓縮波產(chǎn)生則意味著激波強度已到達峰值。激波在傳播過程中由于流體粘性、管壁摩擦等能量耗散作用會降低激波的傳播速度。從圖8 中還可以看出，在管長700 mm下，初始釋放壓力較大時，激波平均傳播速度會出現(xiàn)先增大后減小的過程；初始釋放壓力較低時，激波平均傳播速度呈緩慢減小的傳播過程。

2.3 氫氣管內(nèi)自燃形成管外噴射火焰的演變過程

圖9 是管內(nèi)火焰向管外柱狀火焰轉(zhuǎn)變的過程發(fā)展圖，實驗初始條件是管長700 mm 初始釋放壓力7.08 MPa。實驗高速攝像機幀速為50 000 s-1，將管口處觀察到火焰亮點時的時間定義為t=0 μs。

當t=0 μs 時，在管口處觀察到微小的火焰單元。經(jīng)過較短的時間，管內(nèi)自燃火焰從泄放管道噴射至空氣中，并繼續(xù)向下游傳播，可以發(fā)現(xiàn)火焰前鋒呈現(xiàn)出平面的形狀。當t=20 μs 時，發(fā)現(xiàn)距離管口約40 mm處存在激波馬赫盤。激波馬赫盤的出現(xiàn)是因為膨脹不足的氫氣射流中會產(chǎn)生許多膨脹波，膨脹波向射流外部傳播，當它們遇到射流邊界層時，會以壓縮波的形式被反射，形成桶狀激波、馬赫盤以及反射激波等典型波系[10,20-21]。

圖 9 管內(nèi)火焰向管外噴射火焰轉(zhuǎn)變的過程圖Fig. 9 Transition of flame inside pipe to the jet flame outside pipe

在t=0 μs 到t=40 μs 之間，隨著時間的推移，管口處明亮區(qū)域逐漸穩(wěn)定。當t=40 μs 時，可以發(fā)現(xiàn)激波馬赫盤后部產(chǎn)生的明亮扁平火焰。當t=60μs 時，管口處明亮區(qū)域消失，由于膨脹不足的氫氣射流繼續(xù)發(fā)展，在火焰前鋒發(fā)現(xiàn)第二個激波馬赫盤。在t=40 μs 和t=80 μs 時，觀察到當氣流通過激波馬赫盤后的束狀區(qū)域會更明亮，這說明激波馬赫盤會使管外燃燒加劇。從t=100 μs 到t=160 μs 之間，可以發(fā)現(xiàn)明亮的束狀區(qū)域逐漸發(fā)展成弓形火焰。弓形火焰的出現(xiàn)主要是因為許多可燃性混合氣體在束狀區(qū)域形成并被點燃，從而導(dǎo)致形成強烈燃燒的火焰。從t=160 μs 到t=460 μs 之間，隨著氫氣射流的發(fā)展，管口氫氣射流前端經(jīng)膨脹發(fā)散后會與空氣形成可燃混合物，弓形火焰會繼續(xù)引燃火焰后方的可燃混合物，最后形成柱狀火焰。

圖 10 管長700 mm 初始釋放壓力7.08 MPa 下管外火焰的發(fā)展圖Fig. 10 Flame development process of pipe length 700 mm and initial release pressure 7.08 MPa

圖10 是管長700 mm 初始釋放壓力7.08 MPa 時的管外火焰發(fā)展圖。管外火焰發(fā)展圖是數(shù)碼相機每隔10 ms 采集一次火焰圖像數(shù)據(jù)所得，將管口出現(xiàn)柱狀火焰的時間設(shè)為t=0 ms。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的增加，火焰長度呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的變化趨勢；火焰寬度呈現(xiàn)先增大后迅速減小至穩(wěn)定值的變化規(guī)律，因為球形火焰僅存在于火焰發(fā)展的前段時間（即，t=480 ms 之前）。火焰形成初期，管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ブ凉芸跁r，會在管口處形成柱狀火焰。之后，火焰迅速發(fā)展，隨著高壓氫氣的不斷注入會形成明亮的燃燒區(qū)，燃燒區(qū)由于膨脹發(fā)散作用逐漸發(fā)展成球形火焰，并不斷的向下游移動。高壓氫氣噴射火焰的形成初期由于初始釋放壓力比較大，噴射火焰整體上是動量控制的水平射流火焰[10,22]。隨著罐內(nèi)壓力不斷降低，射流減弱，球形火焰不斷遠離噴口，并與射流區(qū)的連接逐漸弱化。然后，球形火焰逐漸減弱，殘余火焰會向下游繼續(xù)運動一段距離后完全消失。隨著火焰的進一步發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)火焰前端略有上升。這是因為隨著儲罐上游高壓氫氣進氣閥門的關(guān)閉，罐內(nèi)氣體壓力持續(xù)降低，噴射火焰由動量控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿?浮力混合控制。最后，隨著儲罐及管內(nèi)氣體逐漸消耗殆盡，噴射火焰將會逐漸熄滅。

圖11 和圖12 所示為不同管道長度下、不同初始釋放壓力的火焰發(fā)展圖和火焰尖端平均速度變化圖（圖例中，LF 是火焰長度，WF 是火焰寬度，后面兩個數(shù)字分別表示管道長度和初始釋放壓力）。通過對比兩組火焰發(fā)展圖可以發(fā)現(xiàn)，在火焰發(fā)展階段，火焰長度和寬度上升所需要的時間相差不大；之后，在火焰長度和寬度下降階段，圖12 中比圖11 中的下降所需要的時間要短。這是因為圖11 中的實驗采用手動控制關(guān)閉閥門1（見圖1 所示），圖12 中的實驗采用自動控制關(guān)閉閥門1，自動控制閥門比手動控制閥門的反應(yīng)時間要短。綜述圖11 和圖12 發(fā)現(xiàn)，閥門控制方式、管道長度以及初始釋放壓力對于火焰最長長度和最寬寬度的影響不大，火焰最長長度可達4.29 m，火焰最寬寬度可達1.83 m。

圖 11 管長300 mm 和700 mm 初始釋放壓力相近的管外火焰形態(tài)變化Fig. 11 Flame development process with similar initial release pressure of 300 mm and 700 mm

火焰尖端平均速度值是根據(jù)每隔30 ms 的火焰長度之差與時間間隔之比得到的平均值。從火焰尖端平均速度變化圖中可以發(fā)現(xiàn)，火焰尖端平均速度隨著時間的增加逐漸減小。其中，前105 ms 內(nèi)火焰尖端平均速度的下降速率較大；之后，火焰尖端平均速度在波動中發(fā)生緩慢下降。高壓氫氣噴射火焰形成初期，由于初始釋放壓力較大，所以噴射火焰尖端的初始傳播速度也比較大。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在前30 ms內(nèi)，火焰尖端平均傳播速度在35 m/s 到50 m/s 之間。之后，隨著管外火焰的發(fā)展，由于空氣阻力的作用，火焰尖端速度逐漸減小至0 m/s。

圖 12 管長1 200、1 700 和2 200 mm 初始釋放壓力相近的管外火焰形態(tài)變化Fig. 12 Flame development process with similar initial release pressure of 1 200, 1 700 and 2 200 mm

3 結(jié) 論

本文通過高壓氫氣泄漏實驗平臺，研究了高壓氫氣在不同長度管道下釋放發(fā)生自燃的臨界初始釋放壓力的變化規(guī)律、管內(nèi)激波傳播特性以及管內(nèi)火焰向管外火焰的形態(tài)演變過程，同時測量了噴射火焰的形態(tài)參數(shù)。得出的主要結(jié)論如下：

（1）同一管道長度下，當初始釋放壓力較大時，氫氣更容易發(fā)生管內(nèi)自燃；隨著管道長度的增加，導(dǎo)致氫氣自燃的臨界最小初始釋放壓力呈現(xiàn)先緩慢減小后突然增大的變化規(guī)律；管長1 700 mm，發(fā)生氫氣自燃的最小初始釋放壓力是3.70 MPa。

（2）高壓氫氣通過爆破片釋放至管道中，管內(nèi)壓力并不會呈現(xiàn)直線上升，而是一個波動上升的過程。這與爆破片的多步破裂行為，以及管內(nèi)激波的相互作用有關(guān)。實驗發(fā)現(xiàn)，同一管道長度下，初始釋放壓力越大，管內(nèi)自燃發(fā)生的位置距離爆破片越近，且激波傳播速度也越大。

（3）通過高速攝像圖像發(fā)現(xiàn)，管口處的激波馬赫盤會加劇管外火焰的燃燒。高壓氫氣從管內(nèi)自燃發(fā)展至管外火焰后，首先會形成柱狀火焰進而演變?yōu)榍蛐位鹧妫詈蟀l(fā)展為穩(wěn)定的噴射火焰。當儲罐容量一定時，隨著時間的增加，火焰長度表現(xiàn)為先增大后緩慢減小，火焰寬度表現(xiàn)為先增大后迅速減小至穩(wěn)定恒定值，火焰尖端傳播速度逐漸減小。

（4）綜述實驗可知，在直徑10 mm 的管道中初始釋放壓力在3.70 MPa 到9.12 MPa 時氫氣射流火焰長度范圍在3.50 m 到4.50 m 之間，噴射火焰寬度范圍在1.30 m 到2.00 m 之間，前30 ms 的噴射火焰尖端平均速度在30 m/s 到50 m/s 之間。