開放空間高壓氫氣射流中點火爆炸的實驗研究

關鍵詞：氫氣爆炸；火焰前鋒位移；火焰寬度；最大峰值超壓

隨著化石能源逐漸減少，全球出現了一系列問題。氫氣因熱值高、制備方便、燃燒產物無污染等優點受到人們的青睞。然而，氫氣的點火能量小，燃燒極限范圍寬，一旦存儲不當，很容易造成災難性后果。現有研究多集中于受限空間內的氫氣爆炸[1-7]。近年來，受挪威加氫站氫氣泄漏引發的爆炸事故的影響，開放空間的氫安全備受關注。為了降低此類事故的危害，對開放空間中氫氣點火爆炸的研究刻不容緩。

對射流氣體的點火和火焰變化已有大量研究，并取得了一些成果。Swain等[8]給出了釋放速率為566L/min時氫氣的濃度曲線，發現對于濃度為10%或更高的氫氣，一次點火即可成功；如果火焰速度小于射流速度，火焰核心無法形成，點火不能成功。Panda等[9]在恒定溫度和噴射壓力下進行了氫氣點火實驗，結果表明，在相同的流量下，氫氣溫度越低，最大點火距離越大。Friedrich等[10]研究了低溫氫氣燃燒的3種模式，并提出了最大點火距離、最大回燃點與穩態噴射火之間的距離及低溫氫氣射流中心線濃度計算模型。Kobayashi等[11]研究了高壓氫氣泄漏時射流的火焰長度，發現火焰長度與流量的0.5次方成正比，低溫時火焰更長。Mogi等[12]發現火焰形態與初始壓力和噴嘴形貌相關，當氫氣釋放壓力低于1.9倍大氣壓時，火焰抬升。Guo等[13]通過紋影技術觀察了非預混氫氣點火后的火焰行為，結果表明，隨著點火距離的減小，火焰核心離開點火電極所需的時間減少。閆偉陽等[14]研究了氫氣泄漏發生自燃的現象，確定了管道長度與臨界初始釋放壓力之間的關系。Ahmed等[15-16]研究了非預混射流甲烷點火的成功條件、初始火焰形態和火焰傳播特性。

此外，也有不少對射流氣體點火爆炸超壓的研究。Grune等[17]研究了瞬態條件下點火位置和延遲時間對氫氣爆炸超壓的影響。Royle等[18]研究了20.5MPa氫氣泄漏爆炸時超壓的變化過程，結果表明，超壓隨噴嘴直徑的增大而增大，隨點火延遲時間的增加而減小。Grune等[19]研究了高壓狀態下有無爆破片的氫氣點火行為：有爆破片時，氫氣自燃產生2個超壓峰值；無爆破片時，射流區的“局部爆炸”誘導壓力波。

綜上所述，現有研究主要集中在射流火焰和超壓的變化，少有對點火爆炸初期火焰形成過程的報道。本文中，研究氫氣爆炸之初即射流火焰未形成之前火焰演化特征和超壓變化規律，為加氫站等開放空間氫燃爆安全提供關鍵理論和基礎數據。

1實 驗

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。其中，氫氣緩沖罐的體積和耐壓極限分別為5L和1.2MPa。氫氣的噴射壓力（p0）分別為0.3、0.5和0.7MPa。將直徑（d）分別為2、3和4mm的噴嘴安裝在氫氣緩沖罐水平出口，距離地面124cm，重要實驗參數列于表1，其中：m為流量，為平均體積分數。為了研究點火距離的影響，將點火能量和頻率分別為440mJ和50Hz的點火電極安裝在距噴嘴16、20、30和37cm處，點火電極中心與噴嘴中心位于同一水平線上。為了便于測量超壓，將3個壓電式壓力傳感器（PCB102B16）沿同一水平面放置，相鄰傳感器間距為50cm，傳感器所在水平面與射流中心線的垂直距離為43cm，第1個壓力傳感器（PT1）位于噴嘴正下方。壓力信號由信號轉換器轉換成電信號，然后傳送至示波器。采用高速攝像機拍攝點火過程，拍攝頻率為2000Hz，高速攝像機和示波器同時由TTL（transistor-transistorlogic）信號觸發。

1.2實驗流程

所有實驗均在無風條件下開展。首先，釋放氫氣，當緩沖罐中的壓力達到預定值并維持恒定后，點燃氫氣，點火期間緩沖罐內壓力維持恒定。受爆炸和射流的影響，少量氫氣會迅速擴散到下游，火焰顏色很淡，導致火焰邊緣模糊。為了準確區分火焰邊緣，根據文獻[11]的方法對火焰圖像進行了處理，如圖2所示。在原始圖像中，火焰在氫濃度較高的區域呈現亮黃色，隨著氫濃度的降低，火焰逐漸變紅。為了消除實驗背景并較好地提取火焰形狀，從原始圖像中提取3個原色圖像，分別是紅色、藍色和綠色圖像。藍色圖像中的低濃度氫氣火焰為淺灰色，而紅色圖像中為亮灰色。經過圖像計算，從紅色圖像中減去藍色圖像，并且增加處理后圖像的亮度，從而較好地區分了火焰和背景。選取合適的閾值，將圖像二值化獲得火焰輪廓，并標定獲得火焰前鋒的位移和寬度。火焰前鋒的位移定義為，在點火爆炸初始階段，從點火電極中心到火焰下游邊緣的水平距離；火焰寬度的定義為，在點火爆炸初始階段，火焰上、下邊緣之間的最大垂直距離。

2火焰傳播行為與關鍵參數

2.1火焰傳播行為

圖3給出了工況18（p0=0.5MPa、d=4mm）的火焰演變過程。點燃射流氫氣后，在爆炸初期（0.5ms時），火焰以扇形發展。隨著反應進行，在1ms時火焰逐漸發展成一個圓球，并誘導爆炸超壓。在射流的作用下，膨脹的球形火焰中心偏離電極中心。2ms時，火焰變得更亮，火焰以超過100m/s的速度向下游蔓延。同時，火焰逐漸向上游傳播，直到火焰到達噴嘴附近。在火焰前鋒位移達到最大值之前，由于氫濃度降低和燃燒不完全，火焰前鋒的顏色逐漸變紅。

Birch等[20-21]和Schefer等[22]提出了射流中心線氣體平均體積分數公式：

式中：k為軸向衰減常數，Deff為當量直徑，x為噴嘴與電極之間距離，x0為虛擬原點位移， H2 a和分別為氫氣和空氣的密度。圖4給出了計算獲得的氫氣射流中心線處的平均體積分數。結合圖3～4發現：ˉφˉφˉφ3ms時，火焰前鋒的為0.193，顏色仍然是亮黃色；然而，4和5ms時，分別為0.130和0.121，火焰顏色變為淺紅色；6ms時，為0.111，火焰前鋒變為暗紅色，且位移達到最大，隨后位移開始減小，火焰前鋒開始熄滅；9ms時，幾乎無法觀察到火焰前鋒，射流火焰開始形成且顏色明亮。由于剪切層的影響，邊界速度低于射流中心速度，使得射流火焰的前端呈三角形。由于射流膨脹作用，射流火焰前端變寬。同時，火焰前端與空氣之間的接觸面積變大，導致更多空氣被卷吸，因此燃燒更加充分。這意味著即使在前端氫氣濃度較低時，火焰仍可保持明亮。此外，火焰在所有條件下都不能完全傳播到噴嘴處，這主要是由于噴嘴處射流中心流速過高，阻礙了火焰傳播，并且該處的氫氣濃度超過燃燒上限。

2.2火焰前鋒位移和寬度

圖5顯示了火焰前鋒位移和火焰寬度。本文中，只研究火焰前鋒開始熄滅之前的位移，不涉及射流火焰的長度。圖6給出了不同點火距離下火焰前鋒位移和火焰寬度隨時間的變化曲線。圖6（a）～（d）表明，無論出口流量或點火距離如何改變，火焰前鋒達到最大位移只需4～6ms。點火距離相同時，火焰前鋒位移隨噴射壓力或噴嘴直徑的增大而增大，噴嘴直徑對火焰前鋒位移貢獻明顯大于噴射壓力。例如，當噴射壓力為0.5MPa、噴嘴直徑為2mm時，火焰前鋒最大位移可達339.5mm；當噴射壓力為0.7MPa、噴嘴直徑為2mm時，火焰前鋒最大位移可達到387.8mm；對于4mm的噴嘴直徑，噴射壓力為0.5MPa時，火焰前鋒最大位移可達到576.5mm。主要原因是：噴嘴直徑增大不僅可釋放更多的氫氣，還可增大擴散角和射流區域，更多的空氣被卷吸到氫氣中，導致反應更劇烈。火焰寬度的變化與火焰前鋒位移的變化基本相似。噴嘴直徑越大，火焰寬度越大。然而，在工況3、7～8中，火焰寬度在前鋒位移達到最大值之前就已經達到最大，然后逐漸減小，這主要是由于該工況的氫濃度較低，導致火焰邊緣迅速萎縮。

3超壓

氫氣點火爆炸過程會產生壓力波。圖7給出了3個壓力傳感器記錄的超壓-時間曲線。受射流氫氣高度湍流影響[23-24]，超壓曲線出現明顯的波動現象。為了更好地辨別超壓曲線的變化趨勢，采用頻率為3000Hz的低通FFT（fastFouriertransform）濾波來處理超壓曲線。由圖7可見：當點火電極接近PT1時，PT1處的超壓出現得最早；PT2處的超壓稍晚于PT1；由于PT3遠離點火電極，超壓不僅出現得晚，而且小于PT1和PT2處的超壓峰值。每個測壓點只有1個超壓峰值。氫氣被點燃后，火焰迅速向外膨脹，超壓開始增長。之后，由于火焰過度膨脹，超壓緩慢下降，直到達到負壓。圖7中正壓持續時間約為1ms。根據火焰圖像，射流氫氣爆炸后劇烈燃燒，導致超壓出現波動，但幅度過小，可以忽略不計。

定義峰值超壓為超壓曲線中出現的最大峰值。圖8給出了不同氫氣流量下點火距離對峰值超壓的影響。在流量為4.69g/s、點火距離為16cm時，水平方向上距離噴嘴50cm的壓力傳感器（PT2）處檢測到的峰值超壓可高達1.50kPa。在不同的點火距離下，峰值超壓隨著流量的增大而增大。在相同的流量下，峰值超壓會隨著點火距離的增大而減小。對比PT1和PT2的數據發現，隨著流量的增加，射流作用對峰值超壓的影響變得更加明顯，表明在較大流量（4.69g/s）下，即使點火電極接近PT1，PT2處的峰值超壓也會大于PT1處的峰值超壓。

受點火距離和氫氣流量的影響，本文中各工況最大峰值超壓的特征與40MPa氫氣爆炸實驗中的超壓特征[25]類似。圖9給出了不同點火距離下最大峰值超壓（pmax）隨流量（m）的變化。可以看出，最大峰值超壓與流量成正比。噴嘴和點火電極之間的距離不同，則dp/dm不同。由于點火距離16cm與點火距離20cm比較接近，因此兩點火距離對應的dp/dm也接近。隨著點火距離的增加，dp/dm逐漸減小。當點火距離為37cm時，dp/dm僅1.12。這是由于點火電極遠離噴嘴，點火處的氫濃度非常低，最大峰值超壓隨氫氣流量的變化較小。

Kikukawa等[25]發現，當噴射壓力為40MPa時，15m的點火范圍內峰值超壓與噴嘴到點火電極之間的距離成反比。圖10給出了點火距離與最大峰值超壓之間的關系。針對本文所有實驗工況，最大峰值超壓與點火距離的倒數之間存在顯著的線性關系。根據表1，大流量工況下，不同點火距離處的濃度差距非常明顯，因此最大峰值超壓變化也較大，能明顯觀察到線性關系。此外，針對小流量和遠距離點火，最大峰值超壓受射流的影響很大，線性關系不如大流量工況好。

4結論

通過實驗研究了穩態條件下氫氣噴射壓力、噴嘴直徑和點火距離對點火爆炸初期火焰形態和超壓的影響，主要結論如下。

（1）爆炸開始時，火焰由扇形發展為球形；初始階段，火焰前鋒以超過100m/s的速度向下游蔓延，同時火焰向上游傳播至噴嘴處；火焰前鋒達到最大位移后，由于氫氣濃度低和燃燒不完全導致火焰前鋒熄滅，之后射流火形成。

（2）隨著噴射壓力、噴嘴直徑和點火距離的改變，火焰前鋒位移達到最大值只需4～6ms。增大噴嘴直徑可有效增加氫氣擴散角和覆蓋區域，因此火焰前鋒位移受噴嘴直徑的影響更明顯。此外，火焰寬度的變化規律與火焰前鋒位移基本相似。

（3）超壓曲線上只有1個峰值超壓，正壓維持時間在1ms左右。在相同點火距離的情況下，峰值超壓隨出口流量的增大而增大；在相同流量的情況下，峰值超壓隨點火距離的增大而減小。最大峰值超壓與流量成正比，與點火距離成反比。