金属网对狭窄长管道中氢气爆炸的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effects of wire mesh on hydrogen explosion in narrow and long pipe

氢气爆炸在狭窄长管中网状钢丝参数影响研究。实验分析火焰传播速度、超压及压力衰减率，发现100目10mm钢丝网抑制效果最佳，高目数显著降低超压但衰减率趋稳，增厚钢丝网延长火焰路径但过量增厚会抑制压力衰减，其机制为热传导、壁效应和流动阻力的协同作用。

　　

耿振芳|张嘉兴|高伟|高宇科|卢汉|梁波|李彦超

大连工业大学化学工程学院，中国大连市岭工路2号，116024

摘要

本研究通过实验探讨了金属网对狭窄长管道中氢气爆炸的影响。首先，在没有金属网的情况下分析了火焰传播速度和超压情况。随后，研究了金属网参数对火焰传播速度和超压的影响。最后，量化了金属网对压力衰减率的影响。结果表明，与其他金属网参数组合相比，100目、10毫米的金属网对氢气爆炸火焰的抑制效果更好。随着网目数的增加，最大超压总体上显著降低，而压力衰减率趋于稳定。增加金属网的厚度可以通过延长火焰传播路径和停留时间来增强抑制效果；然而，过厚的金属网会降低压力衰减率。爆炸抑制机制依赖于热传导、壁面效应和流动阻力的综合作用。

引言

在氢能系统的运行过程中，由于工艺调整等原因，经常需要通过排气管道安全排放多余的氢气压力。作为确保氢能系统安全稳定运行的关键设施，排气管道具有减压、紧急排放和吹扫等重要功能。然而，在实际应用中仍存在一定的安全隐患。如果选择不当的火焰抑制器材料或排气管道开口的参数设置，排放的氢气可能与空气形成爆炸性混合物。这些混合物在遇到点火源时具有很高的点火和随后燃烧或爆炸的风险。因此，加强氢气排气管道爆炸安全防护技术的研究至关重要。

为了抑制多孔材料中的氢气爆炸，常用的多孔介质包括金属网、泡沫金属、波纹板和多孔板。关于金属网，Jin [[1], [2], [3]] 表明多层金属网能有效抑制氢气爆炸的火焰前沿速度和峰值超压。此外，点火点与金属网之间的距离越大，火焰熄灭的难度越大。Yuan [4] 证明金属网对氢气火焰传播具有抑制和加速两种效应，这种效应受孔隙率和长径比（L/D ratio）的协同作用调节。Makino [5] 指出，当金属网的热量损失减少且热量循环增加时，氢气爆炸火焰可以瞬间穿过金属网。对于泡沫金属，Li [6,7] 表明泡沫铜在贫燃条件下能有效抑制超压升高，但在化学计量比和富燃条件下则难以抑制爆炸。此外，泡沫铜中较小的孔径会导致较低的爆炸超压和火焰传播速度。Li [8] 指出，金属泡沫的孔隙率对氢气爆炸火焰传播具有双重影响：孔隙率参数直接决定了火焰熄灭、加速或爆轰转变的机制。高孔隙率（PPI）的泡沫可以通过吸热效应熄灭火焰，而低孔隙率的泡沫则会加剧火焰加速，甚至可能促进爆轰转变。关于波纹板，Sun [9] 指出，随着波纹板孔隙率的增加和板厚的减小，氢气爆炸火焰屏障性能的失效概率上升。Lin [10] 表明，降低波纹板孔隙率和增加板厚可以提高氢气火焰熄灭的概率，而扩展的膨胀室可以有效降低波纹板微通道内的火焰传播速度和爆炸超压。对于多孔板，Wan [11] 表明，较厚的多孔板能向壁面传递更多热量，从而提高氢气爆炸的熄灭极限或临界压力，使火焰熄灭更有可能发生。Song [12] 进一步指出，增加网状铝合金和球形非金属材料的堆积密度和直径可以增强火焰熄灭效果，降低氢气爆炸超压和火焰传播速度，其中球形非金属材料的抑制效果更佳。Chen [13] 观察到，大直径球形颗粒在贫燃条件下会加速火焰传播，但在化学计量比条件下则具有抑制效果；小直径球形颗粒在化学计量比附近表现出更好的抑制效果。

为了抑制多孔材料中其他可燃气体的爆炸，Cao [14] 通过视觉实验研究了金属网的结构参数对其合成气体爆炸火焰传播特性和强度的影响。研究表明，金属网可以有效抑制爆炸火焰的传播。然而，一旦火焰阻力失效，火焰会显著加速穿过金属网，金属网上端的爆炸压力和火焰速度明显高于下端。Cheng [15] 和 Song [16] 在带有金属网和障碍物的半封闭管道中研究了甲烷/空气火焰的特性，发现障碍物在强烈燃烧条件下会促进火焰传播并导致金属网失效，从而使得火焰前沿位置上升和火焰传播速度增加。Feng [17] 系统研究了不同层数金属网对预混甲烷-空气火焰动力学的抑制特性，发现增加金属网层数会破坏火焰前沿的微观结构，延迟火焰传播速度的峰值，并降低其幅度，同时显著降低火焰温度和爆炸超压。关于泡沫材料，Shao [18] 指出泡沫铜可以有效抑制甲烷-氧气预混气体的爆炸火焰速度和超压，其抑制效果受安装位置的影响：泡沫铜离点火端越近，抑制效果越明显。Nie [19] 通过实验表明，由Al₂O₃ 和 SiC 制成的泡沫陶瓷可以将气体爆炸的最大超压降低50%，其三维互联的微网络结构能有效熄灭火焰并减弱冲击波超压。Sun [20] 比较了金属网和泡沫陶瓷的爆炸抑制性能，指出金属网具有更好的抗爆冲击性能，但抗烧结性能较差；泡沫陶瓷则具有相反的特性。两种材料都能将爆炸超压降低50%以上，并将火焰温度降低60%以上，其中金属网的火焰抑制效果更好。Yin [21] 分析了泡沫陶瓷的孔径和厚度对火焰传播的影响，发现与空管道相比，泡沫陶瓷显著降低了爆炸超压和能量。Zhang [22,23] 进一步揭示了耦合抑制机制：泡沫陶瓷通过其三维网状结构熄灭火焰并减弱冲击波，破坏自由基链反应以切断能量供应并削弱爆炸破坏。Nie [24] 提出了一种爆炸能量评估方法来评价抑制效果，指出泡沫陶瓷的厚度是影响抑制效率的主要因素。厚度增加可以提高抑制性能，孔隙率较大的泡沫陶瓷通常具有更高的导热性。关于波纹板，Al-Zuraiji [25] 通过实验表明，压纹金属条火焰抑制器在贫燃和化学计量条件下能有效减缓甲烷-空气混合物中的爆轰火焰。Wang [26,27] 开发了一种用于卷曲带状火焰抑制器的微通道数学模型，并进行了实验研究。结果表明，在爆轰和燃烧条件下，通道内的流体流动呈现湍流模式；狭窄的通道必须具有足够的长度来熄灭火焰并冷却热产物，从而防止未燃烧气体在抑制器下游点燃。Iida [28,29] 进一步研究了丙烷-空气混合物火焰在狭窄通道中的瞬态传播行为，指出火焰传播取决于混合物的当量比、通道宽度和进气速度，其中临界条件仅由通道宽度决定。Cao [30] 通过可视化实验发现，初始点火能量和压力的增加会显著提高波纹火焰抑制器的火焰失效概率；失效时，抑制器两端的爆炸压力和压力上升速率都会显著增加，且失效时刻明显提前。此外，Yu [31] 研究了甲烷/空气预混火焰在狭窄通道中的特性，指出金属表面比石英板具有更强的自由基熄灭效果，且这种增强效果与表面粗糙度无关。

目前，关于氢气爆炸抑制的研究还不够充分，实现高效爆炸抑制仍面临诸多挑战。现有研究成果主要集中在化学活性较弱的气体上。为了解决这一问题，本研究重点关注在狭窄长管道中抑制氢气爆炸。它研究了不同参数的金属网对氢气爆炸火焰的熄灭效果和机制，分析了多参数协同作用对火焰传播和熄灭的影响，并选择了优化后的参数组合以改善这种受限空间内金属网的火焰抑制性能。这项研究为改进氢能系统中爆炸抑制装置的设计提供了参考。

实验方法

图1展示了氢气爆炸屏障的实验平台。该平台主要包括封闭的圆形爆炸管道、多孔介质屏障系统、数据采集系统、气体分配系统、高压点火系统和定时控制器。爆炸管道系统由两个水平放置的圆形封闭管道组成，每个管道的直径为Φ42毫米×800毫米。每个管道的两端都装有法兰，通过八个均匀分布的M14螺栓连接以固定火焰。

空白条件

图3显示了空白条件下的火焰传播速度。使用空白条件作为对照组，可以更好地分析金属网对氢气爆炸火焰传播的影响。火焰传播过程中火焰传播速度出现两个峰值，最大火焰传播速度出现在F（78）处。在接近化学计量比时，每个光电传感器之间的火焰传播速度达到峰值。

结论

本研究通过实验研究了金属网参数对封闭管道中氢气爆炸火焰的熄灭效果。得出以下结论：

(1)

在没有金属网屏障的空白条件下，火焰传播过程中火焰传播速度出现两个峰值，最大火焰传播速度出现在管道末端。爆炸超压由火焰前沿压缩效应、压力波叠加和端面效应共同调节。

作者贡献声明

耿振芳：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据分析。张嘉兴：方法论、实验研究。高伟：方法论、实验研究。高宇科：方法论、实验研究。卢汉：方法论、实验研究。梁波：方法论、实验研究。李彦超：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明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

作者感谢中国自然科学基金（编号52274178、52474211、52425404）、中央科技发展引导资金（编号2025JH6/101000001）以及中央高校基本科研业务费（编号DUT25Z2719）的财政支持。