《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental study of straight tube length and pressure effects on spontaneous ignition and flame transition in high-pressure hydrogen releases
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氢气高压释放自燃机理及管长效应研究
氢气在高压下通过长管泄漏时，释放压力（2-10MPa）和管长（360-2260mm）显著影响自燃概率及火焰传播特性。研究表明，压力升高会增强激波强度，促进自燃和射流火生成；管长增加时临界自燃压力先降后稳（4-6MPa）。值得注意的是，当管长≥1540mm时，即使无内部自燃或持续火焰，仍能观察到外部射流火，揭示外部点火机制可能与内部火焰无直接关联。高速摄像显示，2260mm长管在临界压力下形成双Mach圆盘，揭示了复杂流动结构对点火的影响。
刘翠薇|欧伟莉|丁瑞|于松明|韩辉|卢红芳|李明昊|李旭星
中国石油大学（华东校区），山东省青岛市266580，中国
摘要
本研究探讨了高压氢气通过管道释放到大气中后，在喷嘴近场区域引发的自燃现象及其随后的火焰演变过程。系统地分析了释放压力（2-10 MPa）和管道长度（360-2260 mm）对自燃和火焰特性的影响。结果表明，增加释放压力会生成更强的前沿冲击波，从而提高自燃和喷射火形成的概率。当管道长度从360 mm增加到2260 mm时，自燃的临界释放压力最初从8 MPa降至4 MPa，随后逐渐上升并稳定在5–6 MPa。有趣的是，即使在内部没有自燃或持续内部火焰的情况下，也观察到在长度≥1540 mm的管道外形成了喷射火。此外，外部点燃的临界压力可能低于内部点燃的临界压力，这表明喷射火的形成并不一定需要完整的连续内部火焰。在管道长度为2260 mm且释放压力接近临界值时，在管道外部观察到了两个马赫盘，这为了解这些条件下的复杂流动结构提供了线索。
引言
为应对全球气候挑战和不断增长的能源需求，人们越来越重视开发可持续和可再生的能源替代品，以取代传统的化石燃料（Kaan等人，2024年）。氢气因其高效性和环境效益而成为可再生能源领域的一个有前景的候选者，引起了广泛的研究兴趣和全球关注（Amin等人，2024年）。虽然氢气作为清洁能源载体具有许多优势，但其固有的低体积能量密度要求在工业应用中必须进行高压压缩和储存（Kodgire，2025年）。然而，氢气的独特物理化学性质，包括高扩散性、低点火能量和宽的易燃范围（Cirrone等人，2023年；Molnarne和Schroeder，2019年），在储存和运输过程中存在显著的安全隐患，需要严格的风险评估和管理策略。这些风险对于氢能基础设施的安全性尤为重要（Hansen，2020年），因为意外释放可能导致火灾或爆炸，这一点在定量风险评估（Le等人，2023年；Moonis等人，2010年）和危险性与可操作性研究（Rigas和Sklavounos，2005年；Xing等人，2022年）中得到了强调）。
氢气从高压储罐突然释放到大气中，无论是由于泄漏还是受控减压，都可能引发燃烧或爆炸事件，即使在没有明显点火源的情况下也是如此（Xu等人，2009年）。Wolanski和Wojcicki（Wolanski和Wojcicki，1973年）的开创性工作首次展示了氢气在冲击管中突然释放时的自燃现象。他们的发现促成了“扩散点火”理论的发展（Astbury和Hawksworth，2007年），该理论为理解高压释放条件下的氢气自燃机制提供了基本框架。Dryer率先进行了氢气在大气中释放时的自燃实验研究（Dryer等人，2007年），发现下游管道的存在以及高释放压力对于这一现象至关重要。随后的系统研究（Golub等人，2007年；Golub等人，2008年；Mogi等人，2008年；Mogi等人，2009年；Lee和Jeung，2009年；Grune等人，2014年；Rudy等人，2014年；Duan等人，2015年；Duan等人，2016年；Gong等人，2023年）探讨了各种影响因素，包括释放压力、管道长度和直径。尽管由于初始实验条件的不同，结果存在差异，但总体趋势是：氢气自燃的可能性随着释放压力的增加和管道长度的延长而增加。管道直径对氢气自燃的影响仍存在争议。Rudy等人（2014年）报告称管道直径对点火概率的影响很小，而Duan等人（2016年）观察到较小的管道直径与更强的冲击波强度相关，从而增加了自燃的发生。Duan等人（2018年）引入了一个无量纲参数——管道长度与直径的比值（L/D），并发现氢气自燃的临界释放压力随着L/D的增加而降低。基于这种对几何影响的理解，后续研究表明，不仅轴向长度尺度，管道的结构配置也会从根本上改变点火行为。对分支管道几何形状的实验表明，管道配置在氢气自燃行为中起着决定性作用。Ta等人（2022年）证明，在Y形管道中，冲击波的增强和衰减的相互作用决定了点火的可能性，较大的分叉角会降低临界点火压力，而Jiang等人（2023b）发现T形接头会减弱冲击波强度，产生复杂的冲击波结构，并可能熄灭火焰，使得在分叉点最接近破裂盘时点火的可能性最小。由于圆形管道的光学特性，对其内部自燃的可视化存在显著挑战。Kim等人（2013年）通过使用矩形透明管道解决了这个问题，使得能够观察流动和自燃过程。这种创新方法揭示了自燃最初发生在边界层的混合区，然后在整个混合区传播。为了阐明导致喷射火形成的转变机制，Duan等人（2016年）在喷嘴附近进行了高速摄像机观察。研究结果表明，在喷嘴外部形成了一个火焰包层，随后该火焰包层发生了分叉。一部分火焰区域在向前传播过程中逐渐熄灭，而另一部分在喷嘴附近稳定下来，最终演变成喷射火。Jiang等人（2022b）观察到，增加管道长度会改变管道外火焰的演变，整个火焰向外和向后翻转，形成了一个稳定的点火源，而不是分离。这些发现与氢火测试和风险评估研究结果一致，这些研究为过程工厂中的后果建模和动态风险管理提供了信息。
此外，爆破隔膜的破裂过程对高压氢气泄漏期间的自燃行为有显著影响。Golovastov等人（Golovastov和Bocharnikov，2012年）发现，自燃的延迟时间与隔膜的开启速率密切相关。氢气扩散引起的自燃的发生受到初始压力和隔膜破裂速率的共同影响，其中更快的破裂会促进更强烈的点火喷射的形成。Kaneko和Ishii（2016年）进一步证明，爆破盘的材料和厚度显著影响产生的冲击波的强度。Lee等人（2015年）报告称，自燃的概率与爆破盘的几何配置密切相关。Zhang等人（2022a）研究了不同入口形状对圆形管道内自燃行为的影响，发现圆形入口产生的冲击波最强，平均传播速度最快，其次是方形和三角形入口。Jiang等人（2024年）通过实验分析了矩形狭缝入口对金属隔膜开启状态的影响，发现隔膜的开启面积随狭缝大小的增加而增加，而自燃所需的临界压力随着狭缝面积的减小而升高。此外，数值研究进一步证实，泄漏孔口的几何形状显著改变了氢气的流动特性（Lu等人，2023年；Sun等人，2023年；Zhang等人，2022b）。点火延迟时间大约与每个阶段隔膜的有效开启面积成正比，较小的出口形状系数会导致更短的点火延迟。
尽管在理解氢气自燃方面取得了显著进展，但关于长管道中这一现象及其随后火焰传播过程的研究仍然很少（Jiang等人，2019年；Jiang等人，2022c；Kitabayashi等人，2013年；Wang等人，2019年）。因此，全面了解冲击波传播特性、自燃过程和长管道中的火焰发展仍然是一个挑战。此外，传统的基于喷射火发生情况通过拟合曲线来确定临界自燃条件的方法忽略了自燃火焰和喷射火之间的复杂相互作用。Wang等人（2020年）观察到，即使在内部没有自燃的情况下，喷射火也可能在管道外形成，这种现象被称为“外部点火”。然而，控制外部点火的基本机制和条件尚未完全阐明。
为了解决这些知识空白，本研究重点关注长管道中的氢气自燃过程，并表征管道外的火焰传播行为。通过系统地改变释放压力和管道长度，我们的目标是：
●研究冲击波传播特性
●分析火焰传播动力学
●探索外部点火的过程和机制
●建立内部自燃与外部喷射火形成之间的关系
基于这些发现，本研究为识别和评估与高压氢气泄漏相关的危险提供了理论基础。这种综合方法阐明了管道内自燃动力学与随后喷射火演变之间的复杂相互作用，从而为工业应用中的氢气安全风险评估提供了关键指导。
实验装置
实验装置
图1显示了实验装置，包括氢气和氮气气瓶、气体管线、真空系统、高压罐（长度500 mm，直径34 mm，最大压力22.5 MPa）、破裂盘、下游管道和数据采集系统。每次测试前，系统用氮气冲洗并抽真空。然后通过减压阀、调节阀和控制阀将氢气充入罐中。一个带有弯曲刻痕的镍制破裂盘将罐与下游管道隔开
释放压力对冲击波和自燃的影响
与先前的研究（Duan等人，2018年；Grune等人，2014年）一致，释放压力是影响下游管道中冲击波传播和自燃的关键因素。本节分析了在固定管道长度为820 mm的情况下，不同释放压力下的实验数据。图4显示了不同释放压力下的典型管道内压力和光信号。在t = 0 μs时，P1记录了快速的压力上升，启动了测量。P2–P5检测到了随后的压力峰值
结论
本研究对高压氢气泄漏到下游管道中的自燃现象及其随后在喷嘴附近的火焰传播进行了全面的实验研究。我们使用安装在管道壁上的压力和光传感器研究了释放压力和管道长度对自燃动力学的影响。高速摄像机观察阐明了火焰演变为喷射火的过程。我们的主要发现如下：
(1)增加释放压力
未引用的参考文献
(Golub等人，2009年；Ishii和Umeda，1988年；Asahara等人，2021年；Miwada和Dobashi，2012年)
CRediT作者贡献声明
欧伟莉：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，研究。刘翠薇：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，方法论，概念化。李明昊：监督。李旭星：监督，方法论。韩辉：监督，研究。卢红芳：监督，研究。丁瑞：写作 – 审稿与编辑，监督，方法论。于松明：写作 – 审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系。刘翠薇的报告得到了中国国家自然科学基金（U24B6017）的支持。刘翠薇的报告得到了中国国家自然科学基金（52472370）的支持。刘翠薇的报告还得到了山东省自然科学基金（ZR2024JQ025）的支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突
