在装有障碍物的封闭管道中，预混氢-氨混合物爆燃过程中由不稳定性驱动的火焰传播动力学

《Fuel》：Instability-driven flame propagation dynamics of premixed hydrogen-ammonia deflagration in a closed duct with obstacles

氢氨混合气体在非均匀障碍梯度配置下的不稳定性驱动火焰动力学研究表明，氨比例通过降低密度对比和火焰速度实现化学抑制，而障碍梯度通过调节湍流和压力波形成几何放大效应。双机制竞争导致爆炸峰值的位置和强度差异，为氢能系统的本质安全设计提供量化依据。

　　

谢睿|王志|于贤宇|朱柳倩|林阳|李俊义|史博博

中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市221116

摘要

氢-氨混合物是实现低碳能源转型的关键途径，它结合了氢的高燃烧效率与氨的优异储存稳定性。然而，在受阻基础设施中，由于不稳定性引发的非爆燃烧的灾难性风险仍然是一个重要的安全障碍。与以往关注均匀障碍物的研究不同，本研究数值模拟了非均匀障碍物梯度配置和氨混合比例对不稳定性驱动的火焰动态的耦合效应。研究结果表明，存在两种控制爆炸严重程度的机制：氨作为一种主要的化学阻尼剂，通过抑制流体动力学不稳定性系统性地减缓火焰速度和峰值压力。这种抑制作用是通过降低阿特伍德数（Atwood number）和流体剪切速度来实现的，从而显著降低了瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor, R-T）和Kelvin-Helmholtz（Kelvin-Helmholtz, K-H）不稳定性的增长率。另一方面，障碍物的排列起到了几何调节器的作用，调节了危险的时空分布。具体来说，较高的阻塞比配置会增强不稳定性的耦合，导致压力逐渐累积并产生最高的终端超压；而较低的阻塞比配置则由于剪切层中持续的K-H不稳定性而产生早期强烈的流动。研究表明，氨混合比例可以降低整体爆炸严重程度，而障碍物的排列方式则决定了危险峰值的发展方式和位置。这些发现为高效、可持续的氢能系统的本质安全设计提供了重要的定量见解。

引言

在全球追求碳中和的过程中，氢能因其高能量密度和零碳排放而被广泛认为是可持续发展的基石[1],[2],[3]。然而，由于氢的点火能量极低、易燃范围宽以及扩散性高[4],[5]，其大规模应用面临重大挑战，这些因素带来了严重的火灾和爆炸风险[6]。为了解决这些安全问题，氨作为理想的氢载体和无碳燃料受到了越来越多的关注[7]。凭借相对成熟的基础设施，氨被视为支持氢工业化的关键途径。在现实世界中，氢和氨通常不会被隔离；意外泄漏可能在密闭通道或工业环境中形成预混气体，即使是微弱的点火源也可能引发剧烈爆炸[8],[9]。这些事件的特点是火焰加速、超压积累和强冲击波，可能演变成次生危险，对人类安全和基础设施构成严重威胁。

先前的研究表明，在有障碍物的密闭空间或管道中，氢-空气预混火焰会迅速加速并伴随显著的超压上升[10]。乔[11]和雷[12]报告称，阻塞比的变化会显著改变火焰结构和压力波特性，高阻塞条件会导致火焰前沿的明显皱褶和湍流加剧。艾等人[13]进一步发现，障碍物会引发强烈的喷射和循环效应，放大火焰前沿扰动并触发瑞利-泰勒（R-T）和Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性。其他研究也证实，包括管道截面、障碍物配置和阻塞比在内的几何参数在决定火焰速度、峰值超压和郁金香火焰形成（tulip flame formation）方面起着决定性作用[14],[15],[16]。这些研究共同揭示了在复杂几何约束下氢爆炸的基本机制，并为基于氢的燃料混合物的后续研究奠定了基础。

氨作为一种有吸引力的氢载体受到了越来越多的关注。然而，纯氨的燃烧具有火焰传播速度低、点火难度高和稳定性差的问题[17]。大量研究表明，添加氢可以显著改善氨的燃烧性能。梁等人[18]证明，将氢混合到NH₃/H₂/空气混合物中可以显著提高层流燃烧速度并稳定火焰。朱等人[19]通过数值模拟研究了NH₃/H₂混合物中的火焰加速和从非爆燃烧到爆轰（deflagration-to-detonation, DDT）的转变，发现氢可以降低DDT发生的临界条件。周等人[20]在变截面管道中实验研究了NH₃/H₂/空气混合物，观察到增加氨的比例可以减缓火焰加速和峰值超压，从而降低爆炸严重程度。陈等人[21]利用三维大涡模拟发现，氨可以抑制湍流的产生和湍流-火焰相互作用，从而限制火焰前沿扰动的放大，进而减弱R-T和K-H不稳定性。从机制上讲，这种抑制作用归因于氨燃烧过程中产生的氮气，它减少了燃烧气体与未燃烧气体之间的密度差异，从而削弱了R-T不稳定性的增长；同时，降低的火焰传播速度减少了火焰前方的速度梯度，抑制了K-H不稳定性的发展。

尽管在理解氢的非爆燃烧方面取得了显著进展，但在这种双燃料化学与复杂几何约束的耦合方面仍存在关键知识空白。最近的研究主要集中在固定障碍物阻塞比或单一障碍物的影响上。然而，在实际工业场景中，如管道和隧道中，障碍物很少是均匀的，它们通常具有变化的阻塞比梯度。虽然这种梯度效应在纯氢研究中已经得到充分验证，但它们与氢-氨混合物独特化学性质的相互作用仍是一个关键空白。与现有文献中分别考虑化学抑制和几何加速不同，本研究探讨了它们的竞争性耦合。具体来说，它研究了由梯度引起的几何放大是否能够超过氨的化学阻尼作用，从而确定了这些混合物的安全极限条件。

为了填补这一空白，本研究数值模拟了在三种不同阻塞比梯度下预混氢-氨非爆燃烧的不稳定性驱动的火焰传播动态。通过分析火焰结构、流场拓扑和流体动力学不稳定性的动态演变，本研究旨在阐明控制爆炸峰值载荷位置和大小的机制。这些发现为在复杂基础设施中安全高效地使用氢-氨燃料提供了理论基础。

模型参数和工作条件设计

为了降低计算复杂性同时捕捉主要物理现象，引入了几个基本假设：(1) 点火前，假设氢-氨混合物和空气在管道内均匀分布；(2) 在整个过程中，气体行为遵循理想气体定律；(3) 忽略了流体-固体耦合效应，管道壁被视为绝热壁边界。

本研究采用的2D管道模型具有

火焰传播的动态分析

图4展示了在不同阻塞比梯度和氨混合比例下氢-氨混合物气体的火焰传播和波形演变特性。在没有氨的情况下，火焰迅速加速，与障碍物的相互作用会产生强烈的反射波（RW）和膨胀波（EW），形成复杂的结构，显示出强烈的火焰-压力耦合和快速的不稳定性增长。随着氨的混合，火焰前沿变得更加平滑，

结论

本研究数值模拟了在具有不同障碍物阻塞梯度（IBR、CBR和DBR）的封闭管道中预混氢-氨非爆燃烧的不稳定性驱动的火焰传播动态。通过严格的定量不稳定性分析，阐明了化学阻尼和几何调节的控制机制。主要结论如下：

• (1)
  氨混合比例（X_NH3）是影响

CRediT作者贡献声明

谢睿：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理。王志：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。于贤宇：可视化、数据管理。朱柳倩：可视化、数据管理。林阳：可视化、数据管理。李俊义：撰写——审稿与编辑。史博博：撰写——审稿与编辑、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了应急管理部关键科学技术计划（编号：2025EMST110401）、江苏省自然科学基金（编号：BK20242088）、中国博士后科学基金（编号：2023M733766）、国家自然科学基金（编号：52204253、52234006）、广东省重点领域研发计划（编号：2024B1111080003）以及中国安全科学研究院基础研究基金的支持。