火焰传播距离对H?–CH?–空气混合物在突然膨胀-收缩管道中排气行为的影响

氢气掺混比与火焰传播距离对管道突扩突缩结构中氢甲烷空气混合气体爆炸特性的影响研究。通过分析火焰形态演变、压力动态特性及放电流场微结构耦合关系，发现氢含量增至40%时火焰速度显著提升，传播时间最短；火焰传播距离达380mm时压力峰值最大，580mm时压力上升速率峰值最高。流场呈现密度梯度最大、湍流强度最高的"水母状"火焰结构，为氢混天然气管道安全设计提供关键参数。

　　

王宇文|郝永梅|徐凌斌|赵梓轩|邢志翔|徐宁

江苏省常州市常州市大学安全科学与工程学院，213164，中国

摘要

为了深入理解管道截面结构变化与爆炸特性之间的内在关系，并尽量减少预混气体爆炸事故的后果，本研究通过改变氢气含量（$HC$）以及爆炸前火焰传播距离，研究了H₂–CH₄–空气混合物在突然膨胀-收缩管道中爆炸时的火焰演变、压力动态和排放流场演变。特别关注了氢气含量和火焰传播距离的耦合效应。研究结果表明，就火焰演变而言，火焰传播距离的增加会加速火焰向“水母状”结构的转变，当传播距离达到880毫米时，这种结构完全消失。随着氢气含量的增加，火焰传播速度显著加快，其中在氢气含量为40%时变化最为明显。在压力动态方面，最大爆炸超压（$P_{\max }$）和最大压力上升率（$\left(dP/dt\right)\max$）最初随火焰传播距离的增加而增加，然后在380毫米和580毫米处达到峰值，并且随着氢气含量的增加而持续增加。压力演变与火焰传播和排放流场的微观结构密切相关。氢气含量的增加增强了流场的不稳定性，在氢气含量为40%时，排放过程中观察到了最明显的“火焰胞状”结构。在相同的氢气含量下，流场在380毫米到580毫米的火焰传播距离范围内表现出最密集的胞状结构、最大的密度变化趋势和最高的湍流强度。这些发现揭示了管道泄爆过程中的火焰演变、压力动态和排放流场行为，为氢气混合天然气管道的安全设计提供了关键参数。

部分内容摘录

创新性和重要性声明

本工作的创新之处在于系统研究了氢气含量和火焰传播距离对H₂–CH₄–空气混合物在突然膨胀-收缩管道中泄爆行为的耦合效应，特别关注了排放流场微观结构的动态演变及其与压力动态的相关性。本研究通过阐明参数之间的协同作用如何影响火焰形态和超压积累，填补了这一关键研究空白。

实验平台和方法

甲烷-氢气-空气混合物的泄爆实验平台如图1所示。本研究采用了一种可控制的方法，通过调整突然膨胀-收缩几何结构上游的管道长度来改变火焰进入突然膨胀段之前的传播距离。在四个特征性的火焰传播距离（如图1所示：80毫米、380毫米、580毫米和880毫米）进行了对比实验。

H₂–CH₄-空气预混气体爆炸的火焰演变

图3展示了在火焰传播长度为80毫米时，氢气浓度分别为0%、20%和60%的氢-甲烷-空气预混气体爆炸火焰前沿的动态演变过程。该图捕捉了以下关键阶段：火焰进入突然膨胀段之前、在突然膨胀段内、从突然膨胀段过渡到突然收缩段期间、以及在火焰

结论

本研究探讨了氢气含量和火焰传播距离对H₂–CH₄-空气混合物在突然膨胀-收缩几何结构中泄爆过程中的火焰演变、压力动态和排放流场特性的影响。主要结论如下：

(1)

当氢气含量从0%增加到60%时，火焰前沿速度显著增加，同时在突然膨胀-收缩几何结构内的传播时间逐渐缩短。

CRediT作者贡献声明

王宇文：撰写——原始稿件、可视化、资料整理、数据分析。郝永梅：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹措。徐凌斌：可视化、概念设计。赵梓轩：可视化、概念设计。邢志翔：可视化、数据分析。徐宁：实验研究、数据分析。

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。