雙重異性障礙物下摻氫甲烷的燃爆壓升效應

中圖分類號：0382.1;0521.9 文獻標志碼：A

當前，氣體爆炸事故影響我國多種行業的安全發展，氣體爆炸災害效應仍然是廣大科研工作者的研究重點。統計顯示，僅2024年上半年，我國發生的燃氣事故累計181起，造成27人死亡、158人受傷[1]。受限空間較開空間更易積聚氣體，氣體泄露后與空氣混合，達到爆炸極限后，與點火能接觸即可發生爆炸[2-3]。因而，爆炸事故多發生于廠房、地下空間等受限空間[4-6]。氣體爆炸也易受空間內多種約束條件（如障礙物）的影響，造成顯著的促爆效應[7-8]，導致障礙物環境中的氣體爆炸危害程度顯著高于無障礙物環境[9-10]。

已有的研究報道大多將障礙物看作理想的剛體，忽略了障礙物的物質屬性及其在爆炸環境中的表現對爆炸危害的影響。為此，學者們將氣體爆炸環境中能夠產生形變、彎曲、傾倒等效應的物體定義為柔性障礙物[]，反之，則稱為剛性障礙物，并分別開展了爆炸特性研究。對于剛性障礙物對氣體爆炸特性的影響：徐阿猛等[2發現，爆炸火焰波在經過不同剛性障礙物時均會發生明顯繞流，加速火焰波傳播，并且障礙物尺寸越大，爆炸壓力峰值越高;Xiu等[13]、Wang等[14]、Duan等[15]的研究表明，增加障礙物數量時，湍流強度與壓力損失之間存在競爭機制，火焰速度及爆炸壓力與障礙物數量呈正相關;雷桐桐[]發現，隨著障礙物數量的增加，火焰速度和超壓峰值的增幅逐漸減小。對于柔性障礙物對氣體爆炸特性的影響：王哲石發現，膜狀柔性障礙物越接近爆炸火焰和沖擊波，所受合力越大，致使障礙物產生拉伸，并發生類錐形形變;焦一飛等[I8驗證了促爆強度與障礙物材質的相關性，得出爆炸強度指數與柱狀柔性障礙物的彎曲強度成正比。另外，研究顯示，柔性障礙物在爆炸場域內的彎曲表現導致不同類型的流場分離現象，阻礙剪切層重新附著在障礙物上，從而降低爆炸危害[19-21]。

摻氫天然氣作為氫能源的主流利用形式之一，能夠在確保安全利用的同時，實現氫能源和天然氣能源的有效利用，我國如國家電投-遼寧朝陽天然氣摻氫示范現場等項目的摻氫比例已達 10%^[22] 。天然氣的主要成分是甲烷，因此，摻氫甲烷的燃燒和爆炸特性成為爆炸防治領域的研究重點。有研究者提出，將燃氣管線并入綜合管網以實現運輸至各個終端[23-25]。然而，針對復雜的管廊輸送工程，其內部設定的固定（剛性）和非固定式（柔性）多重約束設施將加劇爆炸場域內火焰、流場、壓力荷載等的演化特性。工程中用于支撐的固定結構的尺寸通常較非固定結構大，對于管廊這類燃爆事故場所，柔性管線系統、固定梁結構、可移動標志牌以及固定式鋼結構等不同類型的部件往往位于管廊內部，在這些雙重異性特征障礙物的耦合作用下，氣體爆炸特性差異尚未予以揭示，為燃爆防治工作帶來了難題。為此，本研究綜合考慮管廊的實際場景，選用阻塞率為0.6的剛性障礙物，探究剛性和柔性兩種不同物質屬性的障礙物下摻氫甲烷氣體的爆炸特性，以期為爆炸安全設施布局提供理論和數據支撐。

1實驗

1.1 實驗平臺搭建

如圖1所示，實驗平臺包括爆炸測試管道、供氣系統、壓力采集系統、火焰數據采集系統。爆炸測試管道的材質為透明有機玻璃，尺寸為 100cm×10cm×10cm 。供氣系統包含1個裝有甲烷氣瓶（甲烷純度 99.99% ）和氫氣氣瓶（氫氣純度 99.99% ）的防爆儲柜、1個圓柱形空氣壓縮機、3個額定流量為5L/min 的質量流量計。壓力采集系統由2個PCB壓電式傳感器、沖擊波測試儀、壓力采集主機和軟件TytestDateVeiw組成，傳感器的采樣頻率為 50kHz 。火焰數據采集系統包含高速攝像機（PhantomV710L）、火焰采集主機以及軟件PCC3.8，其中 PCC3.8 的采集頻率為2000幅/秒，分辨率設為 1280× 480像素。單次實驗中火焰和壓力的采樣總時間均設置為 200ms 。

圖2顯示了實驗工況。定義甲烷體積分數（ ?φ_CH4 ）為甲烷占容器內總混合物（甲烷和空氣）的體積分數，設定為 9.5% ；定義摻氫比為氫氣占容器內注入的混合燃料（甲烷和氫氣）的體積分數，設定為 10% 。以無障礙物環境工況作為空白對照;首先考慮同種燃料濃度中剛性障礙物與柔性障礙物混合環境中甲烷的燃爆特性隨柔性障礙物阻塞率（障礙物高度與管道高度之比）的變化，其中，剛性障礙物的阻塞率（b_r） 固定為0.6，柔性障礙物的阻塞率 （b_f） 以0.2的梯度變化；而后，考察在同種剛性障礙物與柔性障礙物組合環境中摻氫對甲烷燃爆特性的影響。障礙物的安裝位置參考文獻[10，15]，即剛性障礙物距點火端 40cm ，柔性障礙物距點火端 50cm 。按照圖2所列工況開展實驗，為減少實驗誤差，每組實驗進行3次。

2 實驗結果與討論

2.1 火焰結構

圖3顯示了無障礙物工況下火焰的結構變化。可以看出：火焰結構可以分為4個階段，即半球形階段 （5.0～10.0ms 、指形階段 （20.0～35.0ms） ）、平面火焰階段 （40.0～45.0ms） 、郁金香形火焰階段（ 65.0～110.0ms ； 110.0ms 時，火焰傳至右端泄爆口。 Yu 等[20]發現，距點火端 40cm 處壓力促進機制最顯著，柔性障礙物在一定程度上降低了燃爆風險。為此，在剛性障礙物的基礎上引人柔性障礙物，探究柔性障礙物對燃燒和爆炸特性的影響，結果如圖4所示。從圖4可以明顯看到，雙重障礙物對火焰早期形狀幾乎無影響，火焰仍然呈球形和指形，只是這兩個階段的起始時間較圖3有所延遲。這主要歸因于甲烷燃爆沖擊波撞擊剛

性障礙物時，中下部沖擊波幾乎完全反射，反作用于火焰發育過程，抑制火焰傳播。在雙重障礙物作用下，火焰傳至右側泄爆口處的時間提前，較圖3所示時間分別提前 57.5， 59.0， 61.0ms. 隨著柔性障礙物阻塞率的增加，火焰鋒面傳至泄爆口的時間逐漸縮短，且相差時間間隔較短（ 1～2ms ）。柔性障礙物的阻塞率越大，對火焰和流場的擾動越強烈（柔性障礙物的彎曲和傾倒導致爆炸環境中柔性障礙物的實際阻塞率總是小于0.6），說明剛性障礙物對火焰的傳播仍占主導作用[14，19]。

圖5顯示了剛柔雙重障礙物工況下摻氫甲烷燃爆火焰結構變化。對比圖4和圖5可知，氫氣的摻入增加了甲烷的燃燒效率，在雙重障礙物工況下，球形和指形火焰階段的時間提前，但較無障礙物工況有所延遲，此時障礙物的反射沖擊波效應占據主導作用。火焰到達剛性障礙物上方時，中下部火焰發育被抑制，上部火焰受到的反射作用較弱，這種差異導致拉伸現象形成，火焰的拉伸效應隨著氫氣的摻入有所加劇，且火焰尖端出現尺寸各異的渦旋，標志著火焰由各向同性階段轉變為各向異性階段，即火焰出現渦旋反向回流燃燒至管內上游區域。隨著時間的進行，摻氫也導致同一雙重障礙物工況下火焰傳遞至右側泄爆口的時間提前。

2.2 火焰速度

根據7種工況下的火焰徑向傳播距離計算火焰鋒面的傳播速度和火焰前鋒位置的變化過程，結果如圖6所示。定義火焰傳播至剛性障礙物上方時的速度為接觸速度，圖7顯示了不同工況下接觸速度（ν_c） 和最大速度（ u_max） 的對比。可以看出，較無障礙物工況，雙重障礙物的置入大幅縮短了火焰傳播時間，純甲烷（未摻氫）燃爆火焰傳至右側泄爆口所需時間約 60ms ，而摻氫甲烷則需要約 55ms 。結合圖6和圖7可以看出，無障礙物工況中接觸速度與最大速度一致，均出現在距點火端 40cm 處。甲烷燃爆的接觸速度隨著柔性障礙物阻塞率的增加而增大，較無障礙物工況，分別提高 139.18% 158.23% / 165.99% ；摻氫則加速接觸速度的變化，較無障礙物工況，分別提高 143.93% 、 160.25% /176.51% 。采用火焰鋒面的最大速度衡量火焰傳播過程快慢。由圖7可知，對于同一燃料組分條件下的最大鋒面速度，雙重障礙物工況較無障礙物工況分別提高 296.18%，301.12%，313.66%， 與接觸速度相似，摻氫對火焰最大速度的貢獻也有所增加，較無障礙物工況下的最大速度分別增加 298.52% / 305.45% 、 316.40% 。以上火焰速度數據表明，剛柔障礙物混置條件下，隨著柔性障礙物阻塞率的增加，火焰傳播速度加快，柔性障礙物對火焰傳播過程的作用越顯著，但仍以剛性障礙物的阻塞效應為主導。

2.3 壓力變化趨勢及峰值變化

設管道內距點火端 0～50cm 為上游區域，距點火端 50～100cm 為下游區域，傳感器1測量上游壓力變化，傳感器2測量下游壓力變化。圖8為不同工況下上游和下游區域的壓力時程曲線。管內壓力經歷3個階段：初始壓力上升階段、最大爆炸壓力形成和衰減階段、終端壓力回升階段。較無障礙物工況，雙重障礙物影響最大爆炸壓力形成前的階段性過程，表現為最大爆炸壓力 （p_max） 形成前爆炸壓力先升后降，甚至出現負壓。與上游區域的峰值壓力相比，下游的頂峰部位振蕩現象更為明顯，且下游區域的峰值壓力高于上游區域的峰值壓力。圖9（a）給出了雙重障礙物下甲烷與摻氫甲烷較無障礙物工況（工況1）下管內最大爆炸壓力的對比。結合圖8和圖9可得，上游區域的爆炸壓力遠小于下游區域的爆炸壓力。管內最大爆炸壓力分布與火焰速度的表現一致：同一燃料濃度下，爆炸壓力隨著柔性障礙物阻塞率的增加而增大；無障礙物工況下，上、下游區域的最大爆炸壓力分別為14.42、 18.12kPa ；柔性障礙物阻塞率為0.2的工況下，上、下游區域的最大爆炸壓力分別提高了 919.00% 和 1210.93% 。隨著氫氣的摻入，最大爆炸壓力有所提升，在柔性障礙物阻塞率為0.2的條件下，摻氫甲烷的上、下游最大爆炸壓力增幅是無障礙環境下的 971.22% 、 1263.02% ，且最大爆炸壓力隨著柔性障礙物阻塞率的增加而增大，阻塞率為0.6時達到最大，增幅分別為 1117.27% ， 1280.85% 。

從圖9（a）還可以看出，雙重障礙物對爆炸壓力的增幅效果遠高于對火焰速度的增幅效果。因此，探究爆炸壓力的提升過程可為燃爆危害防控提供借鑒。以 5ms 為時間間隔，得到從零時刻到最大爆炸壓力時刻的壓升率（ dp/dt） 變化曲線，如圖9（b）所示。無障礙物工況下，上、下游區域的壓升率變化近似為直線;雙重障礙物工況下，壓升率曲線與爆炸壓力曲線的表現一致，最大壓升率隨著柔性障礙物阻塞率的增加而增大，并且摻氫加速了管內燃燒效率，縮短了壓力上升過程，這也是圖8和圖9（a）中壓力峰值出現的原因。Xiao等[9]、Cui等[2]提出用爆炸強度指數（最大壓升率與最大爆炸壓力的乘積）衡量爆炸危害程度。不同工況的爆炸強度指數如圖9（c）所示。可以看出，雙重障礙物對于降低管內爆炸危害程度做出了主要貢獻，氫氣則在此基礎上發揮了進一步的促進作用，同一燃料濃度下后置柔性障礙物阻塞率為0.6時爆炸強度指數最大，是無障礙物工況下的154.95倍，而摻氫后則提升至167.65倍。

2.4 壓升效應演化機制

如圖10所示，在上游區域，壓力演化的第1階段是由于燃燒，燃燒熱、沖擊波與球形火焰一起向右傳播，下部沖擊波受到剛性障礙物的反射從而阻礙火焰傳播，上部火焰受障礙物的反射作用較弱，上下部所受的沖擊波作用誘導火焰出現拉伸效應。伴隨著上部區域燃料的消耗以及沖擊波擠壓燃料將燃料輸送至下游，上游區域的壓力降低，甚至出現負壓，如圖8（a）所示。在第2階段，火焰和沖擊波越過障礙物上方，在剛性障礙物與柔性障礙物之間形成沖擊波和高壓氣穴，引起更強烈的反射波，帶動燃料反向運輸至上游區域，導致壓力逐漸增大并形成最大爆炸壓力，隨后燃料和空氣的消耗以及沖擊波和火焰由泄爆口流出[27]誘發壓力峰值下降，火焰傳播過程伴隨著柔性障礙物的擾動，表現為柔性障礙物的阻塞率越大，擾動越明顯，壓力峰值亦如此。第3階段是壓力回升階段，表現為壓力的平衡條件，隨著管內燃燒爆炸過程的持續，流向外界的沖擊波和產物使壓力下降，外界壓力迫使空氣向管內輸送28]。在下游區域，3個階段的形成過程中總是伴隨著障礙物擾動和燃料集聚，火焰和沖擊波持續存在，因此，最大爆炸壓力出現前并未出現壓力下降階段。

3結論

通過實驗探究了雙重異性障礙物下摻氫甲烷的燃爆壓升效應，系統分析了火焰結構、火焰傳播速度、爆炸壓力、壓升率等參數，揭示了其演化機制，得到如下主要結論。

（1）雙重障礙物導致球形、指形、平面形和郁金香形火焰鋒面延遲形成，但火焰鋒面傳播至泄爆口的時間提前，且柔性障礙物阻塞率為0.6時傳播速度最大，與無障礙物工況相比，火焰接觸速度增幅達165.99% ，最大速度增幅為 313.66% ，摻氫后火焰接觸速度增幅為 176.51% ，最大速度增幅為 316.40% 。

（2）雙重障礙物影響爆炸壓力的階段性變化，上游區域出現壓力先升后降現象，下游區域壓力振蕩明顯，最大爆炸壓力增大。隨著柔性障礙物阻塞率的增加，管內最大爆炸壓力增大，摻氫可提升最大爆炸壓力。當柔性障礙物阻塞率為0.6時，最大爆炸壓力最大，摻氫后，與無障礙物工況相比，上游區域增幅達1117.27% ，下游區域增幅達 1280.85% ，表明雙重障礙物對爆炸超壓的影響高于對火焰速度的影響。

（3）雙重障礙物對于降低爆炸危害程度的貢獻隨柔性障礙物阻塞率的增加而增大，氫氣的作用相對較弱。后置柔性障礙物的阻塞率越大，爆炸強度指數越大；柔性障礙物阻塞率為0.6時，較無障礙物工況，同一燃料濃度下爆炸強度指數的增幅倍數約為161.54，摻氫后提升至167.65倍。

（4）在實際的構筑物建設過程中，當剛性障礙物的阻塞率較大時，應盡可能地確保后置柔性障礙物的阻塞率小于剛性障礙物，從而實現燃爆安全設施的有效性，降低燃爆事故災害后果。

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Pressure Rise Effect of Hydrogen-Methane Mixture Combustion under Dual Heterogeneous Obstacles

XU Yang12，LI Mian3， LI Yuanbing ^1，2 ，LONG Fengying4

（1.SafetySupervision and Management School，Chongqing Vocational InstituteofSafetyamp; Technology， Chongqing 404121， China;

2.Safety Vocational Education Research Institute， Chongqing Vocational InstituteofSafety amp; Technology， Chongqing 404121，China;

3.School ofArchitecture and Environmental Safety，Chongqing Vocational Institute ofSafetyamp; Technology， Chongqing 404121， China;

：hool ofMechanicalEngineering，NanjingUniversityofScienceandTechnologyNanjingoo94，Jngsu，Ch

Abstract：The disaster characteristics of gas combustion and explosion are hot and key topics in domestic and international research. Studying the combustion and explosion characteristics under complex constraint conditions is of great significance.Regarding rigid and flexible obstacles，the combustion and explosion process of hydrogen-doped methane gas in a long straight pipeline with double heterogeneous obstacles was explored through experiments. The results show that， compared with the obstacle-free environment， the influence of double obstacles on the flame speed， explosion pressure，and explosion intensity index increases with the increase in the blockage ratio of the flexible obstacle and the addition of hydrogen.Moreover， the increase in explosion pressure and explosion intensity index is greater than that of the flame speed. Under the combined action of hydrogen addition and double obstacles， the flame contact speed can increase by up to 176.51% ， and the maximum speed can increase by up to 316.40% .The double obstacles cause the pressure in the upstream region to rise first and then fall，and the pressure oscilltion in the downstream region is obvious. After hydrogen addition， compared with the obstacle-free environment， the maximum explosion pressure in the pipeline can increase by up to 1280.9% ， and the maximum explosion intensity index can increase to 167.65 times. In the layout engineering projects of constraint facilities，flexible obstacles with a smaler blockage ratio should be preferred to effectively mitigate the consequences of explosion hazards.

Keywords： gas explosion; dual obstacles; flame speed; explosion pressure; explosion intensity index