关于倾斜氢气混合天然气喷射火焰辐射特性的实验与半经验研究

《Energy》：Experimental and Semi-empirical Study on the Radiative Characteristics of Inclined Hydrogen-Blended Natural Gas Jet Flames

氢气混合天然气泄漏火焰的辐射热流预测模型研究。通过实验分析不同泄漏孔径（3-5mm）、氢气比例（0-30%）、倾角（-30°-30°）和流量（10-40L/min）下的火焰轨迹和辐射特性，建立考虑氢气影响的轨迹模型，提出融合虚拟喷嘴、线源辐射模型的工程预测框架，验证显示可快速生成高精度热流分布（<2秒/10,000点），适用于高压至低压场景的火灾风险评估。

　　

吴鹏志|罗振民|胡文|刘长春|赵珊珊|刘立涛

西安科技大学安全科学与工程学院，中国西安，710054

摘要

准确快速地预测任意倾角下氢混合天然气（HBNG）喷射火焰的辐射热通量对于氢混合项目的火灾风险评估至关重要，尤其是因为火焰轨迹存在显著变化。尽管计算流体动力学（CFD）模拟可以详细捕捉这些效应，但开发一个工程模型对于高效快速的火灾风险评估仍然是必要的。本研究通过实验研究了在不同泄漏孔径（3–5毫米）、氢混合比例（0–30%）、喷射倾角（-30°–30°）和体积流量（10–40升/分钟）条件下HBNG喷射火焰的辐射热通量和轨迹。为了改进辐射模型中的源发射器位置，开发了一个适用于HBNG喷射火焰的轨迹模型。火焰混合长度是使用甲烷和氢的一步全局反应来确定的。轨迹模型中的经验系数α₁和α₂分别作为喷射倾角和燃料/空气密度以及弗劳德数的函数进行了量化。提出了一个综合预测框架，用于估计-90°到90°倾角范围内高压和低压泄漏情况下HBNG喷射火焰的辐射热通量。该框架整合了火焰轨迹模型、概念性喷嘴模型和线源辐射模型。通过与本研究的实验数据以及两个大规模HBNG喷射火灾实验的结果进行比较，验证了该框架的有效性。所提出的方法能够快速生成包含定义危险区域的高分辨率辐射热通量等值线，为工程应用中HBNG喷射火灾的快速准确评估提供了有效工具。

引言

近年来，为了提高燃烧效率并减少污染物排放，越来越多地将氢与碳氢化合物燃料混合。将氢以受控的体积比例混合到天然气中，并通过现有的天然气管道基础设施输送这种混合物，被认为是一种成本效益高、低碳且高效的过渡策略[1]、[2]。然而，氢的高扩散性和低点火能量显著改变了混合气体的燃烧行为，特别是在泄漏条件下，更容易形成喷射火焰[3]、[4]。这类火焰的热辐射对附近的工业设备、环境和人类安全构成严重威胁。事故调查显示，大约50%的喷射火灾事件会引发多米诺效应[5]，通常会升级为更严重的火灾和爆炸[6]。泄漏情况可能从管道中的小孔洞到加压储存或输送管道的完全破裂不等，根据泄漏方向的不同，会产生垂直、水平或倾斜的喷射火焰[7]。由于火焰轨迹的曲率受到初始喷射动量和浮力的共同影响，在预测辐射热通量时应该考虑这一点[8]。尽管计算流体动力学（CFD）模拟可以详细捕捉这些效应，但开发一个面向工程的预测模型，用于倾斜氢混合天然气（HBNG）喷射火焰的辐射特性，对于高效快速的消防安全和风险评估是必不可少的。

准确预测HBNG泄漏情况下热辐射的第一步是可靠地估计火焰轨迹和长度。单组分燃料的垂直和水平喷射火焰已经得到了广泛研究，并基于热释放率（HRR）和弗劳德数建立了火焰长度的无量纲相关性[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。与纯燃料不同，将氢添加到天然气中显著影响了火焰长度[17]。一些研究人员已经开始预测HBNG喷射火焰在垂直和水平条件下的长度（或投影长度）[7]、[18]、[19]。例如，赵等人[18]将几种现有的火焰高度相关性与实验数据进行了比较，并开发了一个适用于H₂/CH₄混合物的修改模型。孔等人[19]研究了氢-甲烷混合物的水平喷射火焰，并提出了一个根据氢含量预测水平火焰投影长度的经验相关性。在实际泄漏情况下，喷射火焰的方向可以是任意的。当初始动量不足时，浮力占主导地位，导致火焰向上弯曲，使得火焰长度和轨迹的预测更加复杂。为了解决这一挑战，一些研究人员进行了实验和建模研究，以预测低压（未堵塞）泄漏条件下由单组分气体驱动的倾斜喷射火焰的轨迹[20]、[21]。例如，金等人[22]成功应用了Gore和Jian[21]的方法来预测氢喷射火焰的轨迹。刘等人[23]、[24]为丙烷喷射火焰的水平 and 垂直投影开发了新的无量纲相关性，并基于帽形速度剖面相似性提出了一个积分轨迹模型。高等人[25]、[26]、[27]对向上倾斜的低动量丙烷喷射火焰进行了一系列实验，并提出了一个考虑了卷吸效应的轨迹模型。吕等人[28]对倾角从-75°到+75°的低动量丙烷喷射火焰进行了实验，并基于质量和动量守恒建立了一个积分火焰轨迹模型。此外，这些轨迹模型在高压泄漏情况下的适用性仍有待验证，现有模型中的经验系数需要进一步量化以提高其通用性。此外，混合燃料中氢的比例增加也会改变火焰轨迹和长度。因此，特别是在不同的混合比例、喷射倾角和初始泄漏条件下，氢添加的影响需要进一步研究和定量建模。

准确预测HBNG喷射火灾热辐射的第二步是选择适用于高压和低压泄漏情况的辐射模型。在工程实践中，最常用的半经验模型包括点源模型[29]、固体火焰模型[30]、加权多点源（WMPS）模型[31]和线源模型[32]。点源模型假设所有辐射都来自火焰的几何中心。由于这种简化，它在预测近场辐射方面表现不佳。固体火焰模型假设所有热能都从火焰的简化几何表示（通常建模为圆锥或圆柱体[33]、[34]）辐射出来。该模型通常应用于浮力效应不太显著的大规模或垂直喷射火灾。例如，李等人[35]应用固体火焰模型计算了高压HBNG喷射火焰的热辐射强度，而没有考虑浮力效应。Takeno和Yamamoto[36]将高压氢喷射火焰建模为圆柱体，并开发了一种实用的方法来预测其辐射热通量。Hankinson和Lowesmith[31]开发的WMPS模型通过根据多个辐射点的热输出分配加权贡献，考虑了近场和远场辐射。孔等人[37]应用该模型预测高压水平HBNG喷射火焰的辐射热通量，并使用基于氢体积分数的逆向方法优化了权重因子。Ekoto等人[38]进一步使用WMPS模型预测了大规模水平氢喷射火灾的热辐射。最近，周和江[32]开发的线源模型引起了相当大的关注。该模型假设所有辐射都沿着火焰中心线产生，中心线长度等于火焰长度。周等人[39]基于这种方法提出了一个用于高压H₂/CH₄泄漏及其产生的垂直喷射火灾的辐射建模框架。对于高动量水平喷射火焰，线源模型与实验数据的一致性优于点源和WMPS模型[40]。然而，忽略火焰浮力对轨迹的影响可能会导致在预测不同倾角下HBNG喷射火焰的辐射热通量时出现显著的不准确性[41]。此外，氢含量的增加显著改变了喷射火焰的辐射特性，特别是辐射分数随混合比例的变化。还需要确定火焰长度比，它定义了沿火焰轨迹的最大辐射位置。因此，为了可靠地预测高压和低压泄漏情况下HBNG喷射火焰的热辐射，辐射建模必须不仅考虑动量和浮力效应，还要考虑氢添加和火焰形状的影响。

总之，为了准确预测各种泄漏情况下HBNG喷射火灾的辐射热通量，本研究解决了两个主要问题：（1）预测高压和低压泄漏条件下倾斜HBNG喷射火焰的轨迹和长度；（2）确定关键辐射参数，包括火焰长度比和辐射分数。首先，在不同的泄漏孔径（3–5毫米）、氢混合比例（0–30%）、喷射倾角（-30°–30°）和体积流量（10–40升/分钟）条件下进行了一系列HBNG喷射火焰实验并进行了分析。其次，基于实验数据，开发了一个适用于HBNG喷射火焰的轨迹模型，火焰混合长度是使用甲烷和氢的一步全局反应来确定的。模型中的经验系数α₁和α₂被量化，并采用了骨架化方法来确定火焰长度比。甲烷/氢混合物燃料的辐射分数也被重新量化。最后，提出了一个预测框架，用于估计-90°到90°倾角范围内高压和低压泄漏条件下HBNG喷射火焰的辐射热通量。通过实验室规模和大规模实验验证了该框架的有效性。使用这种方法，可以在不到2秒的时间内生成包含多达10,000个数据点的高分辨率辐射热通量等值线，从而为氢混合应用提供快速准确的火灾风险评估。

实验设置

如图1-(a)所示，燃料供应系统使用含有预混氢和甲烷的高压气瓶作为燃料源。燃料通过不锈钢柔性管输送到燃烧器，体积流量通过气体流量控制器（AST10-DBCMX，测量范围：0-200升/分钟，满量程精度±0.5% FS）精确控制。燃烧器安装在一个可调节的支架上，允许喷射角度在-90°到90°之间变化。

火焰轨迹模型

当HBNG喷射扩散火焰失去足够的初始动量时，浮力占主导地位，导致火焰轨迹弯曲。因此，准确预测火焰轨迹对于可靠估计火焰辐射热通量至关重要。如图4-(a)所示，喷射到静止空气中的扩散火焰的特点是初始速度u₀、喷嘴直径d、氢混合比例x和初始喷射角度θ₀。设s表示沿火焰轨迹的坐标

辐射热通量的实验测量结果

图5-(a)至(d)展示了在不同氢混合比例和体积流量下水平喷射火焰的测量辐射热通量，相应的测量位置显示在图1-(b)中。结果表明，在相同的体积流量下，随着氢混合比例的增加，辐射热通量逐渐减小。这种趋势是由于火焰辐射热通量主要来自CO₂、H₂O和烟尘，其中烟尘是

结论

本研究旨在实验研究HBNG喷射火焰的辐射特性。开发了一个适用于-90°到90°喷射角度范围的火焰轨迹模型，并将其与概念性喷嘴模型和线源模型结合，从而能够快速预测堵塞和未堵塞HBNG喷射火灾的辐射热通量分布。主要结论如下：

(1)

适用于各种情况的火焰轨迹和长度的预测模型

CRediT作者贡献声明

吴鹏志：撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，概念化。罗振民：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。刘立涛：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取。赵珊珊：撰写 – 审稿与编辑，方法论。刘长春：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，方法论，资金获取，概念化。

数据可用性

数据可在本文中和/或通过联系相应作者获得。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（项目编号52174200）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-YBMS-392）、国家消防救援管理局科学技术计划项目（项目编号2024XFCX38）、秦创源城市公共安全智能感知与应急救援“科学家+工程师”团队（项目编号2024QCY-KXJ-170）、中国博士后科学基金（项目编号2024MD764014）等的支持