《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental Investigation of Hydrogen Self-Ignition and Explosion in Confined Enclosures: Influence of Axial Obstruction and Ventilation
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氢气泄漏受限空间燃烧爆炸特性研究，通过实验分析轴对称障碍与通风条件对火焰动态、温度演变及超压发展的系统性影响。结果显示无障碍时氢气主要外部燃烧，内部形成对称火焰；有障碍时湍流增强导致非均匀混合，引发更高峰值温度（达3000℃）、延长燃烧时间及显著超压振荡（含初始负压）。通风面积增加加剧燃烧，揭示了不同障碍条件下的氢燃烧爆炸机制存在本质差异，为密闭空间氢能系统安全设计提供关键实验依据。
李平|姜一辉|吴迪|郭健|徐金伟|徐一文|柯波|张松林|段强玲
武汉理工大学安全科学与应急管理学院，中国武汉，430070
摘要
随着氢能技术的快速发展，高压氢气在密闭空间释放所带来的安全隐患已成为一个关键问题。本研究通过实验探讨了高压氢气泄漏后自燃火焰引发的氢燃烧和爆炸现象。系统地研究了轴向障碍物和通风条件对火焰动态、温度变化以及超压发展的影响。结果表明，当氢气喷射未受阻时，大部分氢气会从密闭空间排出并在外部燃烧，而在密闭空间内部沿中心轴形成对称火焰；相反，轴向障碍物会产生复杂的湍流，导致氢气/空气混合不均匀。自燃火焰首先点燃中心区域的混合气体，随后燃烧蔓延至整个密闭空间，产生更高的峰值温度、更长的燃烧时间以及明显的超压波动（包括初始负压）。在障碍物存在的情况下增加通风面积可以增强空气的引入，进一步加剧燃烧。这些发现表明，受限空间内氢气释放时的燃烧机制和相关危害与无障碍情况下存在根本性差异。本研究为设计安全的氢储存、处理和运输系统提供了重要的实验依据和机理洞察。
引言
随着全球向低碳和清洁能源系统的转型，氢能作为一种具有高能量密度和清洁燃烧产物的二次能源载体而受到越来越多的关注（Hu等人，2026年）。然而，氢能也具有不利特性，如低体积能量密度、高扩散性、宽燃爆范围以及极低的最低点火能量，这些特性在储存、运输和使用过程中显著增加了安全风险。意外的氢气泄漏容易形成易燃或爆炸性混合物，对人员和基础设施构成严重威胁。随着氢能技术的快速发展，其应用场景日益扩展到密闭空间，例如建筑物内的氢能设施和隧道中运行的氢燃料电池汽车。在这些环境中，氢气泄漏引发的燃烧和爆炸现象与开放环境中的情况有很大不同（吴等人，2024年）。大量研究从数值和实验角度对氢爆炸、自燃和风险评估进行了探讨，为氢能的安全利用提供了宝贵见解。
在密闭空间中，人们付出了大量努力来量化预混氢气/空气爆炸引起的超压，并开发基于通风的缓解策略。张等人（Zhang等人，2025c）通过实验证明，在密闭空间壁面上设置通风口可以有效降低内部峰值超压。密闭空间内的预混氢气/空气混合物浓度会影响通风口的缓解效果。Yoon等人（Yoon等人，2024年）研究了顶部通风口面积对高浓度预混氢气/空气爆炸时峰值超压的影响，发现较小的通风口面积会导致更高的内部和外部压力。Rui等人（Rui等人，2025年）的数值研究也表明，较小的侧壁通风口面积会导致更完全的燃烧和更高的最大内部压力。障碍物的存在会显著加剧爆炸危害。Sommersel等人（Sommersel等人，2017年）发现，在无障碍的20L容器中峰值超压为0.4–7 kPa，而在有障碍物的情况下可超过100 kPa。Schiavetti等人（Schiavetti和Carcassi，2021年）报告称，阻塞比例会影响密闭空间内通风氢气爆炸时的峰值超压和压力波动。
在实际应用中，氢气以喷射形式释放并与周围空气混合，导致密闭空间内的氢气/空气混合物不均匀。这种情况下的燃烧特性可能与预混氢气/空气爆炸不同，但通风条件和障碍物的影响仍然很重要。Molkov等人（Molkov等人，2014年）基于氢气释放率和通风口配置，从数值上识别出密闭空间内的两种氢燃烧模式：通风良好的和通风不良的火灾。Brenna等人（Brennan等人，2019b）进一步研究了氢气喷射撞击密闭空间壁面时的流动和混合行为。Hooker等人（Hooker等人，2017年）实验研究了被动通风的3m3密闭空间中的氢喷射火灾行为，并建立了分析模型来量化氢气释放率和通风口面积的影响。Xiao等人（Xiao等人，2018年）通过实验研究了连续氢气释放条件下1m3密闭空间中的喷射火焰动态，并利用考虑热损失的CFD模拟成功再现了氧气耗尽引起的火焰熄灭和空气引入引发的脉动燃烧现象。Lv等人（Lv等人，2024年）发现，较大的氢气泄漏孔径会导致更快的易燃云形成和更高的爆炸超压。自然通风可以有效延缓密闭空间内的压力上升。Jin等人（Jin等人，2024年）在氢气质量流量低于4.85g/s的条件下，对带天花板通风口的1m3密闭空间进行了实验，并提出了一个无量纲参数，用于表征氢气释放率和通风口面积对氧气浓度及自熄灭时间的耦合效应。Hou等人（Hou等人，2023年）通过数值模拟表明，密闭空间内的障碍物会导致氢气在附近积聚；然而，当障碍物与泄漏源之间的距离超过2.25m时，这种效应可以忽略不计。Wang等人（Wang等人，2025年）进一步指出，在高氢气质量流量下，障碍物会加速危险易燃云的形成并导致更大的超压。增加密闭空间体积和改善通风可以有效减少爆炸后果。
在高压氢气释放过程中，即使没有外部点火源，也可能发生氢气自燃。扩散点火理论被广泛认为是氢气自燃的主要机制（Dryer等人，2007年）。氢气自燃的发生取决于多种因素，包括氢气释放压力（Gong等人，2024年；Zhang等人，2025a、2025b、2024年；Zhang等人，2024年）、管道几何形状（Bragin等人，2013年；Duan等人，2016年、2025年；Li等人，2019a年；Pan等人，2025年；Ta等人，2022年；Tang等人，2024年；Xu和Wen，2012年）以及爆破盘特性（Gong等人，2019年；Kim等人，2013b年）。当高压氢气突然通过管道释放到开放环境中时，管道出口附近的氢气可能点燃并形成氢喷射火焰（Bragin和Molkov，2011年）。在这种条件下，火焰动态、冲击波结构和火焰转变机制已被广泛研究（Jiang等人，2023年；Jiang等人，2022a年；Jiang等人，2022b年）。与电火花点火相比，高压条件下的氢气自燃通常会导致更长的火焰持续时间和更高的峰值超压，在某些情况下会造成更严重的危害（Wu等人，2024年）。
对氢能应用场景的风险评估研究显著促进了氢能的安全使用。Yu等人（Yu等人，2026年）通过实验评估了70MPa、48L型III级高压氢气储存罐在火灾条件下的防爆性能。结果显示，爆炸墙后的峰值超压降低了93.69%，而通风口附近局部超压增加了19.33%。Li等人（Li等人，2026年）通过数值模拟量化了氢喷射火灾的热辐射风险和安全距离，确定人员暴露在1.6kW/m2以下的安全距离约为12m。Hu等人（Hu等人，2025年）对密闭空间内的氢气-空气爆炸进行了风险评估，量化了通风口面积与爆炸超压之间的关系，为安全风险评估和结构响应分析提供了实际指导。
上述研究主要集中在（1）密闭空间内的预混氢气/空气爆炸和（2）在相对低压氢气释放条件下由外部点火引发的氢喷射燃烧或爆炸。然而，高压氢气在密闭空间中的应用日益增多。与外部点火事件（例如电火花点火）相比，自燃引发的燃烧和爆炸通常伴随着更严重的危害。尽管已有大量研究探讨了预混氢气/空气爆炸和外部点火引起的氢喷射火灾，但关于高压泄漏后在密闭空间内由氢气自燃引发的非预混爆炸的实验研究仍然有限。特别是，现有文献中尚未充分讨论通风条件在自燃条件下的影响。本研究通过实验研究了高压氢气释放后在密闭空间内由自燃引发的氢燃烧和爆炸行为，系统地研究了通风条件对火焰动态、温度变化和超压特性的影响。这些结果为过程安全评估提供了重要依据，包括事故情景定义、后果建模以及基于风险信息的缓解策略设计。需要强调的是，本研究侧重于描述自燃引发的燃烧和爆炸行为，而非直接比较不同的点火模式。
实验装置
图1展示了实验装置的示意图。实验系统由两个主要部分组成：高压氢气释放系统和密闭空间。高压氢气释放系统与我们之前的研究相同，包括一个氢气罐、一个氮气罐、一个真空泵和一个高压氢气储存罐（Li等人，2019a；Li等人，2021a；Li等人，2019b；Li等人，2023年；Li等人，2021b）。
结果与讨论
高压氢气突然释放到密闭空间后发生燃烧和爆炸的前提条件是：（1）管道内部必须发生自燃；（2）由此产生的自燃火焰必须成功点燃密闭空间内形成的预混H?/空气混合物。在我们的实验中，氢燃烧和爆炸的特征包括巨大的爆炸声、密闭空间内外可见的火焰以及明显的压力波动。
结论
本研究通过实验探讨了高压氢气释放和自燃在密闭空间内引发的氢燃烧和爆炸的安全隐患。记录了从点火到火焰熄灭的整个动态过程，并系统测量了密闭空间内多个位置的 temperature 和超压变化。主要结论如下：
1. 密闭空间内氢气的燃烧行为
作者贡献声明
郭健：验证工作。徐金伟：软件开发。吴迪：实验研究。李平：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取、概念设计。姜一辉：撰写——初稿撰写、实验研究、正式分析。张松林：资源协调。段强玲：数据可视化。徐一文：数据整理。柯波：实验监督。
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的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52304247）、中央高校基本科研业务费（武汉理工大学：104972024KFYjc0019）、中国留学基金委员会（CSC）（编号202506950093）以及湖北省交通运输厅科技计划（编号2023-121-1-5）的支持。
