富氫甲烷的爆燃特性與爆炸抑制研究進展

關鍵詞：富氫甲烷；爆炸特征參數；爆燃機理；爆燃防控；抑爆材料

與其他能源相比，氫能與天然氣產業更貼近，同屬于清潔、高效、環保的能源，但現有的化石燃燒腔室并不支持純氫的燃燒，因此，單彤文等[1]、宋鵬飛等[2]、侯建國等[3]提出，將氫氣作為添加劑，通過一定手段加入到現有的天然氣中形成新的可燃混合燃料，稱為富氫天然氣（hydrogenenrichedwithcompressednaturalgas，HCNG）。富氫天然氣作為清潔低碳燃料，燃燒后產生的碳氧化物、氮氧化物排放量大幅降低。宋鵬飛等[4]的研究表明，天然氣中摻入體積分數為20%的氫氣后，發動機熱效率可以提高15%，經濟性提高8%，污染物排放降低60%～80%。因此，富氫天然氣具備在工業（燃氣內燃機、燃氣輪機、工業鍋爐、發電等）、民用（燃氣灶具、燃氣鍋爐、燃氣熱水器、供暖等）、交通（燃氣汽車、燃料電池車）等多元化終端應用的潛力。富氫天然氣作為一種新能源，有望引領能源革命向全氫能源過渡。

甲烷是天然氣中占比最大的一種組分，氫氣的加入使得混合燃料的燃燒極限變寬、燃燒速率加快、最小點火能降低，因而氫氣/甲烷混合燃料在生產、儲運的各個環節一旦發生泄漏，再遇火源時極易發生火災爆炸事故，由此產生的安全性問題亟待解決[5]。因此，深入研究富氫甲烷的爆燃特性以及事故發生后的控爆技術，是保障富氫天然氣產業全生命周期安全的重要課題。2021年，范維澄等[6]提出了我國安全科學與工程學科“十四五”發展戰略，其中安全學科應促進的5項前沿方向包含受限空間新能源動力的爆燃特性及有效控制理論。本文中，在調研國內外相關文獻的基礎上，針對富氫甲烷爆燃火焰傳播特征、相關爆炸特征參數、抑爆材料和爆燃機理等方面對富氫甲烷的爆燃特性和抑爆研究進行綜述和討論。

1富氫甲烷爆燃特性

根據氣體泄漏后所處的空間情況，可分為開放空間和密閉空間，在密閉空間內，可燃氣體更容易發生積聚，遇到點火源后極易發生燃燒和爆炸事故，產生的超壓和熱輻射會對周邊人員及設備造成巨大傷害，因此，需要提前對此類事故進行全面分析，了解火焰傳播規律和爆炸程度以指導實際采取積極措施，將事故關口前移。當前研究表明，初始溫度、初始壓力、當量比、氫氣添加比（氫氣和甲烷混合物中氫氣所占的比例）及障礙物等都會對富氫甲烷的爆燃行為產生影響，由于尺寸限制和安全問題，富氫甲烷爆燃特性研究多集中于小尺寸實驗和數值模擬，常采用球形容器和管道2種設備，因此，本節將從爆炸初期經歷的球形膨脹火焰（層流火焰傳播、火焰失穩和自加速傳播）、起爆后在管內的火焰傳播特性、衡量爆炸危險性的特征參數以及數值模擬入手，總結富氫甲烷的火焰傳播特性和爆炸特征參數研究。

1.1球形火焰傳播特性

靜止狀態下，富氫甲烷在球形密閉容器內被點燃后，其火焰在自由傳播下會經歷光滑球形火焰、胞狀火焰、湍流火焰和爆震波4個階段。在光滑球形火焰階段，火焰的傳播受拉伸率的影響向外擴展，此時熱擴散不穩定性占主導作用；隨著火焰向外拉伸，球形火焰開始失穩，表面出現細胞狀結構，表面積的增大會加快火焰的傳播速度，火焰速度的提升會分化出更多的胞狀結構，促使火焰產生自加速作用，此時流體力學不穩定性開始變得明顯，并逐漸支配火焰形態和速度。

1.1.1層流火焰燃燒速度

在爆炸初始的光滑球形火焰階段，能夠得到的火焰特性指標之一為層流火焰速度，因便于通過實驗數據計算得到，該指標往往與數值模擬結果進行比較，從而驗證和發展化學反應動力學模型。定容彈法是近幾年應用最廣泛的測量方法之一，如圖1[7]所示。圖中，Rf為火焰鋒面位置，p為壓力。其原理是在點火初期，火焰的彎曲/拉伸效應較大，壓力上升可以忽略不計，此時可以通過紋影儀觀測火焰圖像來計算層流火焰速度；隨著火焰傳播，壓力上升速率加快，彎曲/拉伸效應可以忽略，此時可以使用壓力上升階段的部分壓力-時間曲線計算層流火焰速度；這2種方法分別被稱為定壓法（constantpressuremethod，CPM）[8]和定容法（constantvolumemethod，CVM）[9]。Faghih等[7]對定壓法和定容法進行了詳細介紹，討論了定容法測量層流火焰速度的誤差因素。Xu等[10]將定壓法與定容法的計算結果進行對比，發現誤差在15%以內，定壓法的計算誤差主要來自火焰半徑的測量，定容法的計算誤差主要來自燃燒質量分數的選取。總體來說，這2種方法都存在一定局限性：（1）燃料誤差，燃料與空氣通常使用道爾頓分壓定律混合，傳感器的壓力指示偏差會造成結果存在誤差；（2）數據采集誤差，在定壓法中，紋影儀觀測到的火焰圖像可能會發生扭曲，定容法中，壓力傳感器采集到的壓力-時間曲線不穩定，通過平滑處理也會使得壓力損失；（3）數據處理誤差，定壓法在對火焰前鋒面識別過程中可能存在失幀現象，定容法在選取壓力范圍時也會存在巨大誤差。

1.1.2火焰固有不穩定性

隨著火焰在腔室內拓展，開始出現火焰失穩，火焰固有不穩定性包括浮力不穩定性、熱擴散不穩定性和流體力學不穩定性，浮力不穩定性主要發生在火焰傳播速度相對較低的情況，而甲烷的層流火焰傳播速度在35～45cm/s之間，因此，熱擴散不穩定性和流體力學不穩定性是研究重點。熱擴散不穩定是由火焰鋒面內部熱量和質量的不均衡擴散引起的，可用路易斯數（Le）表征。Le＜1時，熱擴散不穩定會使膨脹火焰趨于失穩；Le＞1時，熱擴散不穩定會使膨脹火焰趨于穩定；Le=1時，膨脹火焰不受熱擴散不穩定的影響[11]。Morsy等[12]分析了不同壓力、當量比（）和氫氣添加比（）的富氫甲烷爆炸的有效路易斯數（Leeff），如圖2所示。可以看出，不同當量比和氫氣添加比的變化趨勢大致相同，而壓力越高，路易斯數越小，火焰越不穩定；此外，馬克斯坦長度（Mab）也可以反映火焰的穩定性，通常用來表征火焰對拉伸的敏感程度，Mab為正值時，表明火焰速度隨拉伸速率的增大而減小，如果火焰前鋒面拉伸增加，火焰拉伸位置的速度將受到抑制，使得火焰趨于穩定；Mab為負值時，意味著火焰速度隨拉伸速率的增大而增大，致使火焰趨向不穩定。Okafor等[13]將Bechtold等[14]提出的馬克斯坦長度和路易斯數的關系式用于富氫甲烷中，在當量比為0.8和1.0時，將不同比例的氫氣添加到甲烷中，發現馬克斯坦長度呈現先減小再增大的趨勢，僅在當量比為0.8時馬克斯坦長度為負值。Hu等[15]發現，在當量比為0.8和高壓下，馬克斯坦長度隨著氫氣添加比的增大而單調減小，火焰鋒面不穩定性增強，且氫氣添加比在0.2時，馬克斯坦長度為負值，初始溫度對火焰不穩定性的影響可以忽略不計。

1.1.3火焰臨界失穩

火焰失穩臨界半徑（Rc）和臨界佩克萊數（Pecl）用于評估由火焰固有不穩定性引起的火焰加速過程。在對火焰固有不穩定性機制有基本了解后，學者們進行了大量的理論和實驗研究，以此確定球形膨脹火焰不穩定的臨界條件。Beeckman等[16]根據氫氣球形火焰的發展定義了2個火焰失穩臨界半徑，第1個火焰失穩臨界半徑出現在火焰的褶皺開始分裂時，第2個火焰失穩臨界半徑定義為在火焰前鋒面出現胞狀結構且火焰自加速傳播時。Kim等[17]研究了不同當量比氫氣/甲烷預混火焰的不穩定性，結果表明，隨著當量比的增加，氫氣和甲烷的火焰失穩臨界半徑都增大，隨著壓力升高，臨界半徑呈降低趨勢。為了研究實驗工況對球形火焰臨界失穩的影響，李停[18]對火焰半徑進行無量綱處理，定義火焰失穩臨界半徑與火焰厚度之比為臨界佩克萊數。Morsy等[12]發現氫氣/甲烷燃料爆炸在馬克斯坦長度為正值時，佩克萊數超過臨界值火焰出現失穩，且臨界佩克萊數會隨馬克斯坦長度增大而增大，如圖3所示。Jomass等[19]和Law等[20]推導了臨界佩克萊數的推導公式，意味著火焰失穩加速機制是熱擴散不穩定性和流體力學不穩定性相互作用的結果。

1.1.4火焰自加速傳播

火焰的固有不穩定性必然會增大火焰表面積，進而導致火焰自加速傳播，Gostinsev等[21]提出了球形火焰半徑在0.3～10.0m之間的火焰加速傳播的自相似模型：r=rc+atb（a=1.5），其中rc和r分別為火焰加速前和加速后的半徑，b為加速指數，t為時間。根據后續的研究，將加速指數b分為3個階段：b＞1時，b為變量，為火焰自加速傳播階段；1≤b＜1.5時，b為常量，為火焰自相似傳播階段；b=1.5時，為火焰自湍流傳播階段。隨著氣體種類、初始壓力、燃氣濃度等工況的變化，加速指數呈現明顯的差異性。Okafor等[22]研究了當量比為0.8和不同壓力下富氫甲烷細胞火焰的形態和自加速行為，發現傳播火焰的細胞不穩定性和自加速隨著氫濃度和混合物壓力的增加而增加，如圖4所示，在初始壓力為0.25和0.50MPa下出現自加速現象，且系數在1.00～1.26之間，與火焰鋒面的分形維數相關，與Wu等[23]的結果一致。為了對火焰鋒面的結構特性進行量化研究，學者們基于火焰輪廓和細胞輪廓提出了分形維數理論[24]。Gouldin[25]于1987年首先將數學中的分形維數概念應用到火焰形態中，并推導出湍流火焰速度預測模型，通過實驗測得分形維數在2.32～2.40之間，能夠用于預測湍流火焰速度。Ma等[26]分析了富氫天然氣對火焰分形維數的影響，結果表明，分形維數的基準值為2.35，且隨壓力和過量空氣系數的變化而變化。

1.2管內火焰傳播特性

針對管內火焰特性的研究多集中在障礙物尺寸、空間受限程度、燃料濃度梯度和管道形狀等對火焰加速過程和傳播的影響。密閉管道內的火焰發展可分為4個階段：半球形火焰階段、指形火焰階段、火焰面外圍與管道壁面接觸（平面火焰）階段以及郁金香火焰階段[27]。肖華華[28]發現氫氣爆炸在郁金香火焰后會出現扭曲郁金香火焰階段，如圖5所示，并利用數值模擬揭示了這種火焰的產生歸因于火焰前鋒面附近產生的渦流影響流場變化。Zheng等[29]研究了不同xH2=0：9xH2=0：8長寬比的管道和不同氫氣添加比的火焰傳播行為，發現在純氫情況下才會出現扭曲郁金香火焰，如圖6所示。Liang等[30]探究了不同氫氣添加比和當量比在密閉管道內的火焰發展形態，發現在當量比為1、時出現了扭曲郁金香火焰，并且隨著當量比和氫氣添加比的增加，細胞結構和扭曲的郁金香火焰開始變得明顯，研究還發現，細胞結構形成的主要原因是熱擴散和流體動力學不穩定性的協同效應，高氫含量導致瑞利-泰勒不穩定性增強，促進了扭曲郁金香火焰的形成。此外，開閉口狀態會導致爆炸壓力泄放進而影響火焰傳播與內部壓力振蕩。Yang等[31]探究了不同當量比下，時管道內外的火焰行為和壓力演變的影響，研究表明，最大內部和外部超壓出現在當量比為1時，與封閉管道不同，在泄壓成功時管內下火焰鋒面均觀察到了泰勒不穩定性，泄壓失敗時火焰發展跟定容燃燒彈中的現象一致。倪靖等[32]研究了低氫氣添加比的甲烷在半封閉管道內的爆轟傳播特性，發現氫氣的加入可以促進火焰與激波的耦合過程，加速起爆，提高火焰平均傳播速度，降低管道出口處的速度虧損。

層流火焰受到熱擴散不穩定性和流體力學不穩定的影響會逐漸向湍流方向發展，火焰面積增大促使化學反應速率提高，導致火焰速度進一步升高，此時燃燒波和沖擊波處于分離狀態，燃燒波落后于沖擊波，這個過程稱為爆燃。Liu等[34]探究了不同當量比和氫氣添加比的甲烷爆炸特性，結果表明，氫氣的添加將加速火焰結構的演變，導致觀察到的火焰結構減少，并且壓力從雙峰分布轉變為單峰分布。如果傳播途徑中存在障礙物，由于火焰和障礙物間的循環激勵作用，使燃燒過程變得更加復雜，最終燃燒波和沖擊波以相同的速度向前運動而形成爆轟，爆轟的危害遠大于爆燃的危害，因此，爆轟也是燃燒爆炸領域的熱門研究課題。Wang等[35]研究了連續障礙物對氫氣/甲烷預混氣體爆炸的影響，得出火焰速度主要取決于障礙物的阻塞比，而不是障礙物的數量。Cai等[36]探究了不同氫氣添加比、湍流、阻塞比和障礙物距離對甲烷爆炸的影響，結果表明，最大爆炸壓力和壓升速率隨著湍流強度的增大近似呈線性增大，低堵塞比的爆炸危險性低于高堵塞比，爆炸沖擊波受障礙物距離的影響不大。Wang等[37]通過實驗研究了雙通道障礙物屏障比和位置對富氫甲烷火焰傳播的影響，利用數值模擬驗證了火焰演化過程，探究了渦流變化對火焰發展的影響，發現隨著雙通道障礙物遠離點火源，最大火焰速度先增大后減小，最大火焰速度提高了5倍以上，最大爆炸壓力提高了6倍以上。此外，爆轟波的傳播特性也會受到管道形狀的影響，劉曉洋等[38]探究了螺旋微通道中富氫甲烷的爆轟傳播特性，發現螺旋結構對爆轟波的傳播具有抑制作用，傳播過程可分為加速、減速、重起爆3個階段，增加氫氣添加比和初始壓力均可減小減速階段的速度衰減并縮短重起爆距離，當時，速度虧損和重起爆距離大幅減小。

1.3爆炸特征參數

爆炸特征參數是評價物質爆炸危險性的重要指標，富氫甲烷的研究熱點集中于最小點火能、爆炸極限以及爆炸強度，通過這些參數能夠直觀地看出爆炸危險性。相比于甲烷0.310mJ的最小點火能，氫氣的最小點火能僅為0.018mJ，這種極低的點火能將會影響富氫甲烷的實際應用。陳洪強等[39]研究發現，最小點火能受氫氣添加比、初始溫度、初始壓力和淬熄距離的影響。王朝君等[40]研究了初始壓力對富氫甲烷激光誘導等離子體點火特性的影響，發現隨著初始壓力降低，擊穿閾值和最小脈沖能量逐漸升高，隨著氫氣添加比的增大，最小脈沖能量呈下降趨勢。Tang等[41]發現富氫甲烷的最小點火能與淬熄距離成一定的函數關系，如圖7所示，隨著淬熄距離的增大，氣體混合物的最小點火能逐漸增大。Ma等[42]發現當量比為1.5時，富氫甲烷的最小點火能量隨著燃料中氫氣含量的增加而急劇下降，從純甲烷的118mJ減小到純氫氣的0.12mJ，并提出了一個計算多組分燃料最小點火能的通用公式：

爆炸極限的測定方法一般采用可視火焰傳播法、壓力采集法、C形曲線法和模擬計算法[43]，混合氣體爆炸極限的計算可用Chatelier定律來表示，不同當量比和氫氣添加比的爆炸極限如圖8[44]所示，爆炸極限L表示為：

Miao等[45]發現富氫天然氣的爆炸極限與富氫甲烷的爆炸極限相近，并給出了富氫甲烷的爆炸極限擬合公式。Molnarne等[46]發現，氫氣添加比時，爆炸極限范圍變化不大；時，富氫天然氣的爆炸范圍顯著增大。Schoor等[47]通過3種數值計算方法研究了富氫甲烷在高溫高壓下的爆炸極限，發現爆炸極限范圍隨著溫度和壓力的升高而增大，并且表示應用極限燃燒溫度的方法可以得到更準確的結果。Hao等[48]研究了不同氫氣添加比對甲烷爆炸反應動力學的影響，添加2.0%的氫氣時甲烷的爆炸極限范圍和爆炸風險分別增加12.0%和40.5%，氫氣添加量為1.2%和2.0%時，預混氣體爆炸三角形向左下移動，爆炸三角形面積分別擴大1.15和1.26倍。

氣體爆炸時最大爆炸壓力pe、最大爆炸壓力上升速率（dp/dt）max和爆炸指數KG是定量表征爆炸風險和后果的重要參數，最大爆炸壓力和最大壓力上升率取決于混合物性質、混合物組成、初始溫度、初始壓力和湍流強度等，而爆炸強度是混合物的固有屬性，通常爆炸指數與最大爆炸壓力上升速率存在以下關系：

Faghih等[49]發現，相較于球形容器，圓柱形容器內壁熱損失或不完全燃燒會造成甲烷和氫氣的爆炸指數存在較大差異，當時，爆燃指數隨著氫氣混合水平呈指數增大，初始溫度對爆炸指數影響不大，而受初始壓力影響很大，并指出Movileanu等[50]和Razus等[51]提出的爆炸指數與初始壓力呈線性關系是不正確的，最后基于理論分析，提出了一種預測較寬初始壓力范圍內的富氫甲烷爆炸指數的關聯式。Sun[52]探究了不同湍流強度對富氫甲烷爆炸指數的影響機制，發現隨著湍流強度的增大，最大爆炸壓力上升速率單調增大，爆炸過程中的熱損失和傳播速度的加快是造成最大爆炸壓力上升速率增大的主要原因。由此可知，不同氫氣添加比對富氫甲烷爆炸壓力和上升速率的影響程度不同，研究不同工況下富氫甲烷爆炸的變化規律，對富氫天然氣設備本質安全化設計具有指導意義；Li等[53]通過對不同初始壓力的富氫甲烷爆炸進行研究，發現最大爆炸壓力上升速率顯著增大，爆炸時間顯著縮短，表明最大爆炸壓力變化不明顯的原因是添加氫氣減少了熱損失，如圖9所示。隨著初始壓力的升高，最大爆炸壓力和最大壓力上升速率均明顯增大。Wang等[54]發現，隨著氫氣添加比的增加，最大爆炸壓力呈現先減小后增大的趨勢，并對熱損失進行了定量研究。Cammarota等[55]探究了不同初始壓力和湍流強度下富氫甲烷的爆燃特性，發現添加10%以下的氫氣對甲烷火焰傳播特性以及爆炸特征參數的影響可以忽略不計。Ma等[42]研究了不同當量比的富氫甲烷的爆炸特性，發現添加50%以下的氫氣對甲烷最大爆炸壓力上升速率的影響不大。Shen等[56]探究了氫氣添加比為0～0.3的富氫甲烷的爆炸特性，發現在所研究的氫氣添加比下，氫氣對甲烷最大爆炸壓力不會產生較大影響，并且指出這是當量比與火焰膨脹綜合作用的結果。Lowesmith等[57]在歐盟委員會資助的Naturalhy項目中設計了大規模實驗和數值模擬，研究了有、無擁擠區域的通風爆炸和密閉爆炸，以評估管道富氫甲烷的爆炸后果，研究發現，氫氣添加比在0.2以上的富氫甲烷爆炸超壓迅速增大，在擁擠區域更容易產生爆轟；而Shirvill等[58]發現在天然氣管網中添加25%以下的氫氣不會顯著增加爆炸風險。

1.4爆炸數值模擬

由于爆炸過程的瞬態性和監測方法的限制，很難通過實驗監測爆炸過程中爆炸參數和火焰流場等的變化，數值模擬更適合用于對關鍵爆炸參數進行詳細分析，了解火焰傳播和壓力上升的機理，可以規避或最小化不同因素對爆炸火焰傳播速度的影響。對于管道中的爆炸，鄭凱[59]在建立預混火焰傳播大渦模型的基礎上，對密閉管道中富氫甲烷預混火焰的傳播特征進行了數值模擬，分析了不同氫氣添加比對預混火焰傳播過程中火焰結構、超壓與流場等變化特征的影響，結果表明，不同氫氣添加比的火焰傳播結構變化由傳播過程中火焰前鋒與已燃、未燃氣體區域形成的逆向流動和渦旋之間的相互作用決定。Zhang等[60]利用Flacs軟件對城市綜合管廊內氫氣添加比為0.1和0.2的富氫甲烷爆炸進行了研究，發現超壓峰值分別增大16%和32%，但超壓峰值最大值為15.52KPa，不會對人造成傷害。Shi等[61]結合Chemkin和Fluent軟件研究了不同氫氣添加比的甲烷在固定體積管道內爆炸的火焰參數，結果表明，隨著氫氣的加入，反應速率在火焰發展前期有先增大后減小的趨勢，在爆炸后期呈單調遞增趨勢，并且發現氫氣加入會爭搶·OH自由基，從而削弱了CO+OH=CO2+H反應的進行，導致CO2轉化率降低，CO濃度升高。在球形密閉容器中，Ma等[42]分析了氫氣添加比和初始壓力對富氫甲烷爆炸的影響，結果表明，氫氣加入會縮短爆炸時間，增加壓力上升速率，誘導反應速度加快，當時，最大壓力呈指數形式上升。董冰巖等[62]利用Fluent軟件探究了氫氣添加比變化對當量比為1的富氫甲烷爆炸過程的影響，結果表明，當時，隨著氫氣添加比增大，爆炸壓力升高；當時，爆炸壓力增大效果不明顯，最大爆炸壓力上升速率顯著增大。

湍流場與爆炸壓力和火焰的相互耦合機制一直是亟待探明的問題，通過數值模擬可以更精細化地觀察到火焰發展的各個階段，有利于量化湍流場中爆炸壓力和火焰的變化趨勢。Cicoria等[63]利用大渦模擬方法對富氫甲烷湍流預混火焰進行了研究，結果表明，在高湍流強度條件下，隨著氫氣添加比的增加，湍流火焰速度增大，火焰起皺程度增大。Bo等[64]探究了不同初始壓力下初始湍流動能對火焰和壓力傳播特性的影響，發現隨著初始湍流動能的增大，其對壓力和火焰傳播的促進作用減弱，低初始湍流動能和低初始壓力的火焰會經歷加速、穩定傳播和減速3個階段，隨著湍流動能的增大，前2個階段時間縮短，加速階段甚至會消失，而火焰減速是由流速快速降低引起的，流速隨著初始湍流動能的增大而下降更快。Wang等[65]研究了湍流對富氫甲烷燃燒特性的影響，研究表明，湍流會加速火焰伸長率和火焰前鋒面傳播速度，隨著氫含量的增加，火焰傳播速度顯著增大，最大爆炸壓力越大，到達最大爆炸壓力的時間越短。

在大多數數值模型默認的絕熱模擬中，隨著氫氣添加比的增加，爆炸壓力降低[42]，這與實驗結果[54]相悖，如圖10所示，因此，熱損失是影響富氫甲烷數值模擬準確性的關鍵原因之一。Faghih等[49]通過考慮詳細的化學特性以及與溫度相關的熱和傳輸特性，模擬了球形密閉容器中向外傳播的球形火焰，發現實驗測得的爆燃指數小于模擬獲得的爆燃指數，這主要是由圓柱形燃燒室內壁熱損失或不完全燃燒造成的。Lei等[66-67]考慮了熱輻射和對流傳熱機制的影響，對氫氣添加比為0～0.5的富氫甲烷爆炸進行了模擬，發現氫氣的高反應性導致爆炸持續時間較短，縮短了高溫火焰向球壁傳熱的時間，熱損失減少；當氫氣添加比分別為0、0.1、0.3和0.5時，熱輻射占總熱損失的比例分別為84.9%、85.8%、86.7%和89.1%，表明熱輻射是造成熱損失最重要的因素。

綜上所述，初始溫度、初始壓力、當量比、湍流強度和氫氣添加比的增加不僅提升了富氫甲烷爆燃火焰傳播速度和爆炸強度，還增強了火焰固有不穩定性，火焰的傳播是一個復雜的過程。盡管學者們對火焰發展的幾個階段已經進行了深入研究，但針對湍流和高氫氣添加比的甲烷爆燃、爆燃轉爆轟的火焰傳播機制和爆炸指數突變機理的研究較少，多集中于常溫常壓下特征參數的研究，在實際情況中，高溫高壓和多元燃料組分等復雜因素比較常見。因此，需要采用實驗與數值模擬相結合的方法進行多元因素耦合的富氫天然氣爆炸特性研究，發展兼顧求解精度和計算成本的模型和算法，探究富氫甲烷爆燃的宏微觀特性。

2富氫甲烷爆燃機理

十九世紀開始，燃燒學經歷了燃燒熱力學[68]、燃燒反應動力學（鏈式反應理論）[69-70]、燃燒物理學[71]和反應流體力學[72]等階段。其中燃燒過程的基本現象是傳熱傳質、流動與化學反應相互作用的結果，例如前蘇聯謝苗諾夫提出的“熱著火理論”和弗蘭克-卡門涅茨基的著作《化學動力學中的擴散和傳熱》中，把傳熱傳質過程引入燃燒現象的分析，提出著火的臨界條件與容器尺寸、可燃混合物組分、壓力以及散熱有關。相比甲烷，氫氣的點火溫度相近，但點火能更低，因此，點火時間要遠低于甲烷，兩者混合后，等效密度、黏度以及熱導率等熱物性參數發生變化，混合物的流動與傳熱特性相應發生改變，因此，氫氣與甲烷混合后具有更高的著火和爆炸風險。鄧凱等[73]針對不同氫氣添加比的甲烷的燃燒穩定性開展了研究，發現增加氫氣含量會影響火焰流場渦結構的變化，進而影響熱質傳輸特征、OH自由基濃度，最終對火焰的熱釋放波動和燃燒穩定性產生影響。陳立等[74]研究了低旋流燃燒器中富氫甲烷火焰燃燒特性及穩定機制，發現氫氣添加比會影響火焰流場結構中的高速剪切區和中心低速區，進而影響火焰穩定性?？梢婎A混火焰的傳播同樣是物理流動因素與化學反應因素綜合作用的結果，實際燃燒裝置中都是湍流燃燒，湍流燃燒速率受湍流（脈動速度）和反應動力學（層流火焰傳播速度）兩者的影響。與之相關的理論可以追溯到1940年由Damkohler[75]提出的有關湍流火焰速度的猜想，認為湍流只能使火焰表面出現褶皺，火焰表面積增大是湍流火焰速度高于層流火焰速度的原因，湍流燃燒速度的增速取決于湍流火焰面積與層流火焰面積的比值，實驗發現，湍流燃燒速率受湍流的影響更大。Lipatnikov等[76]總結了學者們基于Damkohler理論提出的多種湍流火焰模式下的湍流火焰傳播速度計算方法，指出湍流火焰的傳播速度仍主要與層流火焰傳播速度、湍流強度及湍流燃燒模式有關。

化學反應動力學控制著燃燒過程的動態發展，因此，諸多學者致力于研究燃燒反應動力學機理，于是出現了鏈式反應理論。鏈式反應是一種復雜的化學反應，其中反應速率不僅取決于原有物與最終產物的濃度（遵循質量作用定律）和溫度（遵循Arrhenius定律），而且受化學反應過程中自身產生的一些不穩定中間產物（如自由基等）的影響，這些中間產物能夠大大加快反應速率。鏈式反應通常分為鏈的產生、鏈的傳播（包括支化）和鏈的終止[77]3個階段。分支鏈式反應是指鏈的攜帶者在傳播過程中數量增加，反應加速很快，有時能在1μs內完成，稱為化學爆炸[78]。在以往的研究中，學者們為了更好地揭示氣體燃燒爆炸的鏈式反應，開展了大量的反應動力學研究，深入認識了甲烷和氫氣反應動力學機制[79-81]。Li等[53]針對不同初始壓力基元反應對層流火焰速度的敏感系數進行了研究，發現在不同初始壓力、當量比及氫氣添加比下，對富氫甲烷層流火焰速度增強和抑制作用最明顯的反應分別是H+O2=O+OH（R38）和H+CH3（+M）=CH4（+M）（R52）。Liu等[34]通過特定物種主要基元反應探究了氫氣添加比對甲烷燃燒的影響，發現添加氫氣后，H、O和OH自由基的摩爾分數增大，導致爆炸速率增大，甲烷燃燒的醛類排放減少，甲烷氧化反應路徑向低碳路徑移動；化學反應R38和R52與氫氣增加呈負相關，與當量比呈正相關，其中H、O、OH自由基的最大摩爾分數隨著氫氣添加比和當量比的增大而增大，如圖11所示。Su等[82]研究了爆炸初期的化學動力學行為和反應機理，發現CH4→CO2的主要反應路徑為CH4→·CH3→CH2O→·HCO→CO→CO2，H2→H2O的主要反應途徑為H2→·OH→H2O2→·HO2→H2O，H2→·H→·HO2→·HCO→H2O；針對這些關鍵反應的密度泛函理論計算證明了甲烷在體系中對鏈引發時起到關鍵作用，氫氣的加入不會與甲烷競爭引發爆炸反應，也不會抑制甲烷爆炸；在鏈式反應開始后的鏈轉移過程中，氫氣優先于甲烷進行，但氫氣不能取代或優先于甲烷爆炸的支鏈反應物（CH2O）與氧氣發生反應；氫氣的加入提高了關鍵自由基的濃度，促進了甲烷的鏈式爆炸反應。Su等[83]利用光譜測試系統，通過靈敏度分析確定了氫氣加入對甲烷爆炸關鍵基元反應的影響，研究表明，甲烷體積分數在7%～11%變化時，在甲烷體積分數較低時，添加氫氣會產生大量的H自由基，而在甲烷體積分數較高時，添加氫氣會產生大量的OH自由基；加入氫氣后，促進甲烷爆燃最顯著的反應由CH3+O2=O+CH3O（R93）轉變為R38，而抑制甲烷爆燃最顯著的反應依然是2CH3（+M）=C2H6（+M）（R104）[84]。

富氫甲烷的爆燃過程十分復雜，以往的工作更多注重宏觀層面的爆燃特性或微觀層面的鏈反應動力學及相關熱力學研究，缺乏從宏觀與微觀結合的角度分析爆燃特性，需要深入研究宏觀爆炸特征參數與微觀基元反應之間的耦合關系，為爆燃機理的探索和抑爆劑的開發提供理論指導。

3富氫甲烷爆燃控制

抑爆是目前氣體爆炸防治的主要研究方向之一，利用特定材料與富氫甲烷爆炸火焰的相互作用，通過物理抑制（熱機制）和化學抑制（氣態均相和表面異相抑制機制）減弱或者中斷爆炸反應，從而減弱爆炸的強度。本文中，將從氣相介質、液相介質、固相介質、多孔介質以及多相復合介質抑爆出發，對富氫甲烷控爆和機理研究進行闡述。

3.1氣相介質

氣相介質分為惰性氣體和活性氣體。惰性氣體比熱容高、碰撞效率低，且對燃燒反應存在動力學作用，因此，惰性氣體可以降低燃燒速率、縮小可燃氣體爆炸極限范圍、降低可燃性，當惰性氣體添加到一定量時，可使混合氣體惰化為不可燃氣體，從而抑制爆炸發生?；钚詺怏w除了物理抑爆作用外，還參與爆炸的支鏈反應，消耗H、O、OH等關鍵自由基。路長等[85]探究了CO2對富氫甲烷爆炸的影響，發現CO2的抑爆效果不僅有物理惰化和稀釋作用，在爆炸初始時刻還能夠與H2反應，消耗H2的同時生成CO，導致CH4不完全反應，繼而影響鏈式傳播。Su等[86]研究了N2添加比為0～0.2時對富氫甲烷爆燃特性的影響，結果表明，N2的加入使富氫甲烷的爆炸極限范圍變窄，添加15%以上N2時，對氫氣添加比為0.5以下的富氫甲烷爆炸抑制效果明顯。Zhang等[87]研究了N2和CO2對氫氣/空氣預混火焰傳播過程中火焰特性的抑制作用，發現CO2比N2具有更顯著的抑制作用。此后，Zhang等[88]又對富氫甲烷的爆炸超壓和火焰行為進行了研究，發現N2和CO2的加入會降低熱擴散率和導熱率，導致層流火焰速度降低，火焰厚度增大，減弱了火焰變形，從而抑制火焰加速。此外，對于·H+O2+M=·HO2+M等關鍵基元反應，N2和CO2會作為第三體產生碰撞，而CO2的碰撞效率高于N2，因此，CO2的抑制效果更加明顯。Shang等[89]的研究發現，CO2會通過競爭CO+·OH=CO2+·H與·H+O2=·O+·OH反應中的H自由基抑制富氫甲烷的燃燒。Chen等[90]探究了不同初始溫度、壓力和CO2添加比對富氫甲烷燃燒的稀釋效應、熱效應和化學效應，發現稀釋效應占主導地位，其次是熱效應和化學效應，初始溫度為300K時化學效應可以忽略，隨著初始溫度升高，化學效應逐漸明顯，而隨著初始壓力增加，化學效應逐漸減弱，隨著當量比增加，3種效應呈現先增強后減弱的趨勢。Zhang等[91]探究了七氟丙烷（HFC-227ea）對不同當量比富氫甲烷爆燃特性的影響，結果表明，熱促進和化學抑制之間的相互競爭導致HFC-227ea對富氫甲烷爆燃有增強和抑制作用，在當量比為0.6時，HFC-227ea在添加量小于等于0.03時，增大了的富氫甲烷火焰的傳播速度，當xH2gt;0：2時，HFC-227ea抑制火焰傳播。

學者們針對CO2、N2等氣體對富氫甲烷的抑爆機理已經開展了大量研究，但大多采用小尺寸實驗，根據以往研究發現，不同工況下活性自由基的反應速率存在差異，因此，需要開展復雜工況的全尺度實驗，以深入研究抑爆劑在不同使用條件下的抑爆機理。

3.2液相介質

水霧是常見的液相介質，具有成本低、來源廣泛、使用方便、比熱容高等特點，是一種很好的抑爆材料。水分子會與爆炸體系中的活性基元反應，例如·H+O2+H2O=·HO2+H2O，也會以第三體的形式發生碰撞消耗能量[92]。Modak等[93]研究發現，液滴尺寸是影響抑制效果的關鍵，甲烷/丙烷/空氣預混火焰的最佳抑制液滴直徑約為10μm，而對于氫氣/空氣預混火焰，最佳抑制效果的液滴直徑約為2μm。Shimizu等[94]、Parra等[95]和Thomas等[96]從物理、化學、熱效應等方面分析了細水霧抑制甲烷爆炸的機理，指出細水霧通過液滴蒸發的吸熱效應和氧氣稀釋效應減弱壓力波和火焰，從而起到抑制爆炸的作用。水霧直徑太大時，將無法在通過火焰中或通過火焰之前蒸發，因此，水霧必須分解成更小直徑的顆粒才能起到抑制作用[97]。張彬等[98]探究了超細水霧對富氫甲烷爆燃的抑制機理，結果表明，細水霧表現出2種作用：（1）蒸發吸熱、阻隔熱輻射、稀釋氧氣濃度和中斷鏈式反應等物理和化學抑制作用；（2）對未燃氣體流場造成擾動，從而引起湍流，產生促爆作用。Wen等[99]研究了不同直徑和通量的細水霧對封閉管道富氫甲烷爆炸的抑制效果，發現直徑越小的細水霧抑制效果越明顯，水霧通量越多，水霧的抑制效果越好，但抑制效果隨著氫氣添加比的增加逐漸降低。曹興巖等[100]指出，細水霧對爆炸能量的削弱主要以潛熱吸熱為主，對爆炸強度的促進或減弱主要是水霧冷卻吸熱降壓與水霧汽化膨脹導致升壓相互作用的結果，此外，液滴的粒徑、速度和水霧的質量濃度也會改變火焰面的湍流尺度、脈動速度和導溫系數，液滴粒徑和速度較大時會有較高的動量和脈動速度，液滴將穿透火焰面，在已燃區域未發揮全部抑制作用，同時受到擾動的火焰表面將加快向未燃區域的熱量傳遞，導致燃燒加快。章智慧等[101]探究了細水霧壓力和施加高度對氫氣噴射火焰的影響，細水霧一方面會降低射流火焰的溫度場和輻射場，另一方面會導致射流火燃燒的強化和火焰膨脹，當壓力較低時，細水霧隔絕和衰減輻射的能力也相對較弱，但水霧釋放的高度越高，火焰的膨脹效果越弱，反而有利于安全。Xu等[102]、余明高等[103]和Yu等[104]基于靜電感應原理，為細水霧荷上正負電荷，改變了細水霧的理化性質，增強了霧滴之間的庫侖力，使得細水霧能保持更高的穩定性，由于自由基本身附帶電荷，在正負電荷平衡的爆炸體系中加入荷電細水霧，能夠加速捕獲爆炸反應的中間自由基，擾亂了正負電荷的平衡，從而抑制爆炸鏈式反應的進行，研究表明，荷電細水霧對爆炸壓力峰值以及火焰傳播速度有更好的抑制效果，且荷電電壓越高，抑制效果越好。在含NaCl添加劑的荷電細水霧中，Na+和Cl–被荷上電荷，自由移動的鈉離子和氯離子發生定向移動，在電場力的作用下提高了NaCl霧滴的均勻性和穩定性，從而促進了爆炸抑制作用。

向水霧中添加具有化學抑爆性能、易溶于水的無機鹽，形成含添加劑細水霧會起到更好的抑爆效果，含添加劑的細水霧增強了富氫甲烷爆炸過程中的化學抑制作用，溶于細水霧的堿金屬離子（Na+、K+、Mg2+等）和酸根離子（、、CH3COO–等）能夠與富氫甲烷爆炸體系中的·H、·O和·OH自由基反應，降低中間自由基的濃度，阻止鏈式反應進行；Cao等[105]、Liu等[106]研究了堿金屬鹽細水霧對0～20%富氫甲烷火焰的泯滅能力，結果表明，K+的滅火效率高于Na+，這是由于原子核數、電子層數和原子半徑增加，堿金屬化合物的活性水平相應增加，增強了燃燒過程中的反應性；在陰離子方面，當時，的滅火效率優于其他陰離子，當時，CH3COO–的抑制效果最佳。Wei等[107]研究了NaHCO3水霧對H2/DME/CH4/空氣混合物的爆炸抑制作用，發現NaOH+·H=Na+H2O和Na+·OH+M=NaOH+M是含鈉物質抑制火焰速度的主要反應，Na與NaOH的抑制循環可有效減少H和OH自由基。

由此可見，富氫甲烷液相介質抑爆一般使用純水霧、荷電細水霧和添加劑水霧，金屬化合物KOH、Na2CO3等溶于水后呈現強堿性，會對滅火現場的電器設備等產生較強的腐蝕性。因此，需要開發能夠增強冷卻效果和清潔高效的添加劑以滿足實際應用需求。

3.3固相介質

根據成分的不同，固相介質可分為有機抑爆劑、無機抑爆劑、改性抑爆劑和復合抑爆劑。有機抑爆劑以溴系、氮系和磷系及其化合物為代表，其中以有機磷抑爆劑最常用，有機磷化合物在火焰中會分解形成·HPO和·PO等基團，并在氣相中與燃燒所需的·H和·OH活性基團結合，從而中斷鏈式反應，但其反應產物會對環境安全和人員健康產生很大危害[108-109]。無機抑爆劑是由耐高溫溶液加入超微無機金屬氧化物精細加工而成，主要是把具有本質抑爆性的無機元素以單質或化合物的形式添加到需抑爆的基材中，以物理分散狀態與高聚物充分混合，在氣相或凝聚相通過化學或物理變化起到抑爆作用，常見的無機抑爆劑有碳酸鹽（NaHCO3、KHCO3和CaCO3）、磷酸鹽（NH4H2PO4、（NH4）2HPO4和CaHPO4）、聚磷酸鹽、鹵化物（KCl和NaCl）、氫氧化物（Al（OH）3和Mg（OH）2）、二氧化硅、尿素、硅藻土、高嶺石等[110]。Luo等[111]研究了碳酸氫鈉對富氫甲烷爆炸抑制效果，結果表明，當時，NaHCO3對預混氣具有完全抑爆效果；當時，預混氣體的壓力峰值隨著碳酸氫鈉濃度的增大而不斷增大；當時，碳酸氫鈉對預混氣體沒有抑制作用，反而促進了爆炸反應。這可能是由于混合氣體中氫含量的增加使得混合氣體整體反應活性增強，甲烷燃燒的自由基數量迅速增加[112]。一般抑爆粉體加入會吸收爆炸反應熱發生熱分解，受熱分解的穩定氧化物能夠吸收爆炸體系的能量，產生的惰性氣體和水蒸氣則起到稀釋和冷卻作用，并且分解產物能夠與反應體系內的·H、·OH和·O自由基發生反應。此外，粉體的熱解性能和粒徑使其抑爆效果存在差異性；田莉[113]研究了不同粉體對富氫甲烷的抑爆效果，結果表明，3種粉體的爆炸抑制效果從高到低依次為：碳酸氫鉀、碳酸氫鈉、二氧化硅。蘇洋[114]利用碳酸氫鈉、磷酸二氫銨、二茂鐵和氫氧化鎂4種常見抑爆粉體對管道內富氫甲烷抑爆效果進行研究，發現時，碳酸氫鈉的抑爆效果最好，時，二茂鐵的抑爆效果最好，但碳酸氫鈉、磷酸二氫銨、二茂鐵和氫氧化鎂分別在氫氣添加比為0.8、0.7、1.0、0.8時提升了爆炸壓力。一般情況下，粉體粒徑越小，抑爆效果越好，粒徑為10～20μm和50nm的二氧化硅分別可使當量比為1的甲烷爆炸最大超壓下降40%和90%以上[115-116]。與具備化學抑制作用的抑爆劑不同，只有物理抑制效果的二氧化硅沒有直接參與爆炸反應，而是使爆炸氣氛中氧濃度相對降低，在一定程度上起到將可燃物與氧氣隔離的作用，當活化分子與粉體介質碰撞時，會使其失去活化能而不能反應。

為了提高抑爆劑的抑爆性能，研究人員通過表面改性、接枝、復配等方法將不同性質的材料進行優勢互補形成納米復合抑爆劑。Li等[117]利用植酸和三聚氰胺對鋁土礦進行改性，將得到的改性鋁土礦用于抑制的富氫甲烷爆炸，發現抑爆粉體濃度為0.25g/L時達到抑制飽和，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率分別降低了52.41%和83.50%；通過爆炸產物分析能夠發現，成功接枝到鋁土礦上的植酸和三聚氰胺分解產生的含磷含氮等物質阻礙了爆炸鏈式反應。Liu等[118]利用球磨機將碳酸氫鉀與沸石進行復配，發現復合粉體的抑爆效果優于單一粉體。Wang等[119]以赤泥為載體，開發了一種核殼結構的碳酸氫鈉/赤泥復合粉體，改性赤泥擁有較大的孔隙率和比表面積，有助于捕獲爆炸自由基和吸收熱量，外層的碳酸氫鈉在高溫下熱解并暴露出內層赤泥，從而達到協同抑制效果。Sun等[120]利用高嶺石的層狀結構和多孔特性，與聚磷酸銨和氫氧化鋁進行復配抑制甲烷爆炸，結果表明，高嶺土與常規抑制劑具備協同增效作用。相較于單一粉體，改性或者復合粉體的抑爆效果更加明顯。

在甲烷爆炸方面已經研制出了許多高效的抑制材料，但是添加氫氣后的甲烷燃燒及爆炸特性會發生變化，特別是在氫氣添加比較高的情況下，傳統粉體抑爆劑的抑制效果顯著減弱，且抑爆機理尚不清晰，因此，需要優化粉體微觀結構，嫁接化學抑爆組分，研制可抑制富氫甲烷爆燃關鍵自由基的靶向抑爆材料。

3.4多孔介質

多孔介質材料由許多細小管道或孔隙構成，具有開孔率高、比表面積大、耐高溫、抗沖擊和緩沖能力強等特點，可燃物質爆炸產生的火焰穿過多孔介質時，火焰流被分割成數個微小細流、通道或孔隙進行部分散熱，火焰通過管壁進行傳遞散熱后能夠削弱或熄滅爆炸火焰；針對多孔介質抑制富氫甲烷爆炸的研究主要集中于金屬網狀材料、泡沫銅等。絲網狀的多孔抑爆介質對火焰的淬熄特性與幾何參數、材質、層數、間距等有關，一般來說，網孔越?。茨繑翟酱螅?、金屬絲越粗、開口比及體積空間率越小，抑爆性能越好[121]。Lv等[122]開展了鋁合金金屬網狀材料抑制富氫甲烷爆炸研究，結果表明，隨著氫氣添加比的增加，金屬網狀材料的抑爆效果逐漸減弱，當時，鋁合金金屬網狀材料完全失效。Jin等[123]探究了密閉管道中金屬網狀材料的層數、目數等參數對富氫甲烷爆炸的影響，發現網狀材料目數越大，其吸熱及切割爆炸火焰的作用越顯著，且多層金屬網狀材料可有效降低最大爆炸壓力，最高可降低78.6%。王碩[124]在100mm×100mm的管道內，采用3層孔隙率分別為20、40和60ppi（ppi為單位英寸長度上的平均孔數）的泡沫銅研究了其對富氫甲烷爆炸傳播的影響，結果表明，孔隙率越大，抑爆效果越佳，但時，火焰經過泡沫銅逐層加速，加劇了火焰由層流向湍流轉變。黃楚原等[125]比較了內徑為0.06m、長0.5m的管道內單一和組合球形多孔非金屬材料對富氫甲烷的抑爆效能，發現組合球形多孔非金屬材料的抑爆效果更突出，當填充長度為0.4m時，最大爆炸壓力降低51.02%，最大爆炸壓力上升速率降低53.85%，相較于單一球形多孔非金屬材料，抑爆性能提升了78.58%。Duan等[126]探究了不同氫氣添加比的混合氣體通過多孔泡沫銅的火焰傳播特性，發現時，多孔材料不能猝滅火焰，反而會加劇火焰傳播；氫氣的加入使得爆炸體系的活性自由基顯著增加，多孔材料可能會促使自由基碰撞或損失，最終火焰能否猝滅取決于氫氣增加的自由基數量與多孔材料損失的自由基數量之間的關系。

針對多孔介質材料對富氫甲烷抑爆的研究多集中于火焰傳播行為和爆炸超壓增減規律，但對于較高氫氣添加比的富氫甲烷，爆炸產生的壓縮波疊加在通過多孔介質后可能會被誘導為激波，進而發展為爆轟現象，加劇爆炸危險性；此外，針對爆轟火焰沖擊多孔介質的研究較少，深入研究爆轟過程中火焰-湍流-超壓的耦合作用機制，對完善多孔介質抑爆技術具有重要意義。

3.5多相復合介質

不同的單相材料抑爆效果不同，為了提高抑爆效率，通常需要同時加入多種相態的抑爆劑以達到協同抑爆效果。由于氫氣的加入提高了爆炸強度，單獨采用氣體、粉體或者細水霧抑爆都存在一定的局限性，例如氣體和粉體抑爆需要的濃度較高，細水霧抑爆對粒徑、噴量等都有要求，甚至在某些工況下反而會促進富氫甲烷的爆炸[91，114]。因此，采用多相復合介質抑爆是實現富氫甲烷高效抑爆的有效途徑之一。羅振敏等[127]研究了0～15%CO2、250g/m3的海泡石粉體復合介質對富氫甲烷爆燃特性的影響，結果表明，爆炸壓力峰值隨著氫氣添加比的增加一直呈現下降趨勢。鄭露露等[128]利用20ppi孔隙率的多孔材料和0～0.4MPa噴氣壓力的CO2，對氫氣添加比為0～0.3的富氫甲烷抑爆失效現象的爆炸火焰行為和超壓等特性參數進行了研究，結果表明，爆炸壓力峰值僅在且CO2噴氣壓力為0.2和0.4MPa失效條件下有所衰減，其他情況下均造成壓力峰值升高，因此，在富氫天然氣管道中需要使用高孔隙率多孔材料和高噴氣壓力CO2進行抑爆。鄭露露等[129]還研究了多孔介質與CO2協同抑制的富氫甲烷的爆炸特性，結果表明，在火焰經過多孔介質前噴灑CO2對火焰有促進作用，而在火焰經過多孔介質后噴灑CO2能夠成功淬熄火焰。Zhang等[130]利用去離子水和氣相二氧化硅制成干水粉末，探究了其對體積分數為20%的氫氣和10%的甲烷的抑爆效果，結果表明，氫氣和甲烷的最大爆炸壓力隨著干水濃度的增加而線性下降，500g/m3的干水降低氫氣和甲烷的爆炸壓力都超過50%，1000g/m3下對甲烷的抑爆效率可達98.46%，高于氫氣的84.4%，但在相同干水濃度下，甲烷的爆炸壓力下降比氫氣明顯。

不同相態的抑爆劑在爆炸過程中會發揮不同的作用，通常情況下，多相復合介質的抑爆效果不等于單相抑爆效果的理論疊加，抑爆劑的混合使用會同時參與燃燒反應，中間產物種類繁多，反應機理復雜，協同機制尚未揭示清楚，在研究復合抑爆時需要更加注重微觀的耦合效應。

4結論與展望

富氫甲烷的爆燃特性與爆炸防控是保障富氫天然氣產業全生命周期安全的重要課題，在過去的幾十年中，學者們圍繞富氫甲烷爆燃特性和控爆減災技術開展了大量的研究工作，主要包括富氫甲烷爆燃火焰傳播規律、爆炸特征參數、爆炸數值模擬、爆燃機理和控爆技術等，形成了一個較完整的減災技術體系。本文中對上述研究方向進行了系統的綜述，總結得到以下結論。

（1）在爆炸火焰傳播規律方面，氫氣的加入加劇了火焰固有不穩定性，使得爆炸體系經歷更快的火焰失穩過程和更劇烈的自加速過程；在火焰傳播過程中存在測量裝置或閥門等障礙物，火焰與障礙物間的循環激勵作用會使火焰進一步加速，最終可能發展成爆轟。

（2）在爆炸特征參數研究方面，隨著氫氣的添加，甲烷的最小點火能量急劇下降，爆炸極限范圍變寬，在高氫氣添加比下，最大爆炸壓力和爆炸指數呈指數形式增長。

（3）在爆炸數值模擬方面，隨著計算流體力學的發展，通過完善的湍流模型、詳細的化學反應模型、復雜燃燒模型和熱損失理論模型等，能夠觀察到精細化火焰結構和流場等演化規律，使得模擬結果更符合實際爆炸過程。

（4）在爆燃機理方面，氫氣在爆炸體系中能夠優先反應，氫氣的加入改變了甲烷爆炸的反應路徑，促進了甲烷的鏈式爆炸反應。

（5）在控爆技術方面，常規惰性氣體和細水霧主要通過惰化和冷卻吸熱來抑制爆炸，鹵代烴、粉體及金屬化合物添加劑主要通過吸熱分解產生的陰陽離子來消除爆炸產生的關鍵自由基起到抑制效果。目前，抑爆劑的抑制效果隨著氫氣添加比的增加而減弱，對高氫氣添加比還可能會促進爆炸。

雖然現階段研究取得了一系列重要的實驗和理論進展，但現有研究對實際氫能的安全利用仍然存在許多局限性，富氫甲烷爆燃特性和控爆減災技術仍需進一步完善。

（1）探索火焰固有不穩定性與湍流的耦合機制。針對富氫甲烷球形傳播火焰的研究主要集中在層流燃燒速度和火焰固有不穩定性引起的火焰失穩兩方面，密閉空間中受氫氣添加比、初始條件和邊界條件的擾動會表現出復雜的湍流流場，不同擾動下火焰的結構特征會發生顯著變化，目前湍流和火焰固有不穩定性的耦合機制尚未揭示清晰。因此，需要開展不同氫氣添加比、高溫高壓與不同湍流等復雜工況下的富氫甲烷爆炸實驗，揭示火焰固有不穩定性在弱、中、強湍流下的相互作用規律。

（2）采用實驗與數值模擬結合的手段深入研究多元因素的火焰傳播機制。當前對氫氣/甲烷預混氣體爆燃方面的研究大多側重于較低的氫氣添加比及較高的氫氣濃度梯度，涉及高氫氣添加比時的甲烷爆燃、爆燃轉爆轟的火焰傳播機制和爆炸指數突變機理的研究較少，需要打破以實驗為主的常規研究手段，借助數值模擬方法，進一步完善理論模型，減少假設和簡化，發展兼顧求解精度的模型和算法推演爆炸態勢，將實驗與數值模擬的多源數據同化，開展關鍵自由基及中間產物、爆燃壓力及壓升速率、火焰結構等宏微觀爆燃特性研究。

（3）研發多相復合的高效抑爆劑。當前研究中多通過爆炸特征參數的宏觀變化來評價抑爆性能，抑制過程中抑爆介質的物理-化學耦合抑爆效應尚不明確，在高氫氣添加比情況下，反應速率和路徑會發生變化，單獨從宏觀角度分析難以解釋抑爆特性，并且使用一種相態或材料的抑爆劑均存在一定的局限性。因此，需要利用宏觀爆炸特征參數、火焰形態以及微觀發射光譜檢測等手段開展研究，結合不同相態抑爆劑的特點，實現協同增效的抑爆效果，掌握抑制過程的鏈式反應進程，厘清抑制過程的物-化耦合機理，實現對微觀機理的研究和分析。此外，也可以改變抑爆材料的分布和結構，嫁接化學抑爆組分，研制出抑制富氫甲烷爆燃關鍵自由基的靶向抑爆材料。