关于波状受限管道中预混氢/空气混合物爆炸特性的研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Study on the explosion characteristics of premixed hydrogen/air mixtures in a wavy confined pipe

氢气/空气混合物在波浪形管道中的爆炸特性研究基于大涡模拟（LES），分析了波形参数（振幅A、波长B）和氢气当量比对火焰传播的影响。结果表明波浪结构通过增加压力波反射频率显著促进火焰加速和不稳定，形成不对称 tulip火焰，振幅增大加速传播但不完全燃烧，波长B=0.5时爆炸最危险，当量比升高加剧火焰速度和爆炸强度，为氢能安全防护提供理论支持。

　　

刘强|徐庄庄|杨国刚|孙汉|张淑瑶

大连海事大学海洋工程学院，中国大连

摘要

在管道、通风和储存系统中，具有弯曲几何形状的管道结构可能会意外地成为爆炸风险的放大器。基于大涡模拟（LES），本研究对波动管道中氢气/空气混合物的爆炸特性进行了数值模拟，重点分析了波形参数（振幅A和波长B）以及氢当量比对火焰传播动态的影响。结果表明，波动结构通过增加压力波与火焰前沿的相互作用频率，显著促进了火焰的加速和不稳定，从而形成了不对称的郁金香状火焰等特殊结构。振幅的增加会加速火焰传播，但会导致燃烧不完全；波长变化也会影响爆炸强度，其中波长B=0.5时爆炸危险性最高。氢当量比的增加进一步加剧了火焰速度和爆炸强度。本研究揭示了管道结构与燃料浓度耦合加速火焰传播的机制，为氢能安全防护提供了理论支持。

引言

氢能作为引领全球能源转型的战略方向，在应对全球气候变化、确保能源安全以及推动能源结构转型方面发挥着关键作用，这得益于其清洁、高效和可持续的特性（Wang等人，2026年；Yin等人，2025年；Liu等人，2024年）。目前，氢能在多个领域实现了大规模应用，包括燃料电池（Cheng等人，2025年；Cheng等人，2024年）、核能生产（Zhang等人，2025年）和化工生产（Yan等人，2026年）。然而，由于氢气分子量低、扩散系数高且化学反应性强，在生产、储存、运输和使用过程中极易泄漏，伴随有显著的燃烧和爆炸风险。特别是在管道和反应器等密闭空间中，氢气与空气在极宽的浓度范围内（4%-75%）形成爆炸性混合物。氢气的最小点火能量仅为0.02 mJ，因此极易被点燃并引发剧烈爆炸，对公共安全构成严重威胁（Xu等人，2025年）。作为工业原料，氢气通过管道运输，这是典型的“过程”运输方式（Duan等人，2024年；Hu等人，2024年）。在工业管道系统中，经常使用特定配置的组件来补偿位移、减少振动和改变流动方向。然而，一旦氢气泄漏并被点燃，这些结构的几何特性会显著加剧爆炸，从而带来不可忽视的过程安全风险（Liu等人，2025年；Li等人，2026年；Chau等人，2022年）。在不同的管道结构下，火焰从燃烧转变为爆轰（DDT）的过程会加速。揭示管道结构如何诱导火焰加速的物理机制对于防止火焰不稳定和减轻爆炸危险至关重要。因此，研究特定密闭空间中氢/空气预混气体的爆炸动力学对于推进氢能的安全应用和提升工程防护技术具有极其重要的意义。

近年来，国内外的大量研究主要集中在火焰传播动态及其与几何结构的耦合机制上（Yuan等人，2024年；Pang等人，2023年；Li等人，2025年；Xu等人，2024年）。Yuan等人（2024年）通过实验研究了点火位置变化对装有特斯拉阀的管道中预混火焰传播特性的影响。由于特斯拉阀结构相对于流动方向不对称，火焰在正向点火时加速，达到了最快的传播速度。然而，该研究没有考虑火焰通过特斯拉阀时产生的压力损失。Pang等人（2023年）对不同弯曲角度的爆炸排放管道进行了实验研究，发现较大的弯曲角度会增加爆炸危险性，具体来说：当角度从45°增加到135°时，最大压力上升率从22.5 MPa/s增加到37.5 MPa/s，管道内的峰值二次爆炸超压增加了21%。然而，该研究没有充分考虑多弯头结构和不同弯曲角度的耦合效应。Li等人（2025年）研究了变直径管道中局部预混气体的爆炸传播，发现突然的截面收缩使氢气爆炸的火焰速度和超压分别增加了235%和214%，表明管道截面的突然变化显著放大了爆炸危险性。在此基础上，Xu等人（2024年）进一步研究了圆锥形管道结构的影响，发现随着锥度比的减小，峰值火焰传播速度下降，在锥度比为0.25时形成了“分裂的郁金香状火焰”。然而，该研究仅考察了单一的氢当量比，未研究其他化学计量比对爆炸特性的影响。大涡模拟（LES）在捕捉湍流-火焰相互作用、瞬态压力波演变和复杂边界效应方面具有显著优势。Zheng等人（2022年）将LES与增厚火焰模型结合，数值预测了无障碍管道中的爆炸过程，验证了模型在再现火焰形态、速度和压力动态方面的准确性。Nardi等人（2025年）发现LES准确预测了受阻管道中氢/甲烷混合物的爆炸过程，揭示了火焰在第二个障碍物后的湍流转变对加速和超压生成的重要性。此外，Zheng等人（2018年）利用LES比较了不同长宽比封闭管道中甲烷和氢气的火焰传播特性，发现氢火焰在高长宽比管道中表现出“郁金香唇状变形”并伴有明显振荡，而甲烷火焰则形成稳定的郁金香形状且无振荡。总之，不同的管道结构显著影响预混气体的爆炸特性和火焰传播模式。

此外，障碍物也可能引发湍流不稳定性。当前的研究主要集中在障碍物的数量（Chen等人，2025年；Song等人，2024年；Wang等人，2025年）、形状（Sheng等人，2022年；Wu和Yu，2026年）、堵塞率（Xu等人，2025年；Jiang等人，2024年；Zheng等人，2024年；Zheng等人，2022b）等因素的影响，已有许多研究探讨了障碍物引起的火焰加速现象。Chen等人（2025年）研究了含有多个障碍物的管道中预混气体的爆炸动态，发现障碍物数量的增加会加速轴向传播并抑制横向扩展，导致爆炸超压的上升速率更高。Sheng等人（2022年）发现，在LES和动态火焰表面密度（DFSD）模型中，三角形障碍物引起的峰值超压比方形障碍物高7%，比圆形障碍物高30%。此外，障碍物形状的设计也可能对火焰爆炸强度产生抑制作用。例如，Wu和Yu（2026年）研究了障碍物孔径几何形状和非均匀气体浓度分布对爆炸行为的耦合效应，发现圆形孔径在均匀气体条件下产生的最大爆炸超压为50.85 kPa，而在非均匀条件下，所有穿孔板都抑制了爆炸强度。Jiang等人（2024年）研究了障碍物位置和堵塞比对氢气爆炸特性的影响，发现在双障碍物管道中，当障碍物间距较大且堵塞率达到50%时，峰值氢气爆炸超压可达到1163.21 kPa。这表明较大的障碍物间距和适当的堵塞比显著增强了湍流燃烧并导致较高的爆炸超压。

在现有研究中，关于管道结构安全性的研究主要集中在直管道或内部放置有障碍物的管道上，而对具有弯曲几何形状的管道关注较少。此外，由于成本高、边界条件复杂和测量困难，对复杂几何形状的实验研究往往难以准确捕捉爆炸过程中发展的详细流动结构。与直管道相比，波动管道壁的周期性起伏结构显著改变了流场形态，使得湍流与火焰的耦合效应更加明显，从而促进了火焰加速并加速了从燃烧到爆轰的转变。为了更清楚地了解波动管道对爆炸特性的影响，本研究采用LES方法研究了波动管道的关键参数——振幅A和波长B——在不同氢当量比（ER）下对火焰传播动态的影响，重点分析了火焰结构的演变过程以及速度、压力和温度场的分布模式。

模型假设

为了获得可靠的结果并节省计算资源，我们在允许的准确范围内做出以下假设：

(1)

点火前，管道中的预混气体在空间上均匀分布。

(2)

爆炸引起的气体流动是可压缩流动，其热力学行为遵循理想气体定律。

(3)

氢气爆炸是瞬时的，因此忽略了辐射热传递，并且管道壁边界被定义为绝热且无滑移

振幅变化对火焰传播动态的影响

图4展示了不同振幅下火焰形态的演变过程。在火焰传播的初始阶段，不同振幅管道中的火焰前沿都由热膨胀驱动，表现出相似的演变模式：首先从球形火焰结构发展成指状火焰结构（2.2 ms），然后同时进入波动区域（3.4 ms）。在火焰进入波动区域的初始阶段（3.4 ms），可以观察到

结论

本研究基于大涡模拟（LES）对波动密闭管道中的氢气爆炸进行了数值分析，重点分析了波形参数（振幅A、波长B）和氢当量比对火焰传播动态、压力演变和温度分布的影响。主要结论如下：

1.

波动管道结构通过增加压力波反射频率显著促进了火焰的加速和不稳定

作者贡献声明

杨国刚：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。徐庄庄：项目管理、数据整理。张淑瑶：方法论、数据整理。孙汉：资源、项目管理、形式分析。刘强：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号[N0.52571397]和国家重点研发计划（项目编号[2023YFB4301701]的支持。