《International Journal of Hydrogen Energy》：Effect of porous size on detonation wave attenuation of hydrogen-air mixture
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氢气-空气混合物在多孔管中的爆炸波衰减受孔洞几何参数（深度、宽度、间距）影响显著，数值模拟表明减小孔洞间距可增强横波与爆炸波抑制效果，最佳参数组合为深度等于宽度且同时优化调整。
Xuehuai Yan|Zhiwu Wang|Jingjing Huang|Yuxiang Hui|Wenshuo Shi
西北工业大学能源与动力学院，中国西安，710072
摘要
本研究通过数值方法探讨了孔洞几何形状对充满化学计量比氢气-空气混合物的多孔管中爆震波衰减的影响，初始条件为300 K和1个大气压。采用单元结构分析来验证孔洞对横波的抑制作用，并据此评估其对爆震波的影响。通过对数值结果的分析，识别出规律并通过归一化方法扩展了抑制规律。研究结果表明，减小孔洞间距可以增加多孔部分的平均单元尺寸，从而同时增强对横波和爆震波的抑制效果。观察到孔洞深度与宽度之间存在强相关性，任一参数的增加都会导致单元尺寸增大。然而，当其中一个维度显著超过另一个维度时，单元尺寸会从其峰值下降。尽管如此，在所研究的范围内，单元尺寸仍然大于直管中的单元尺寸。研究表明，在所研究的范围内，通过保持孔洞深度和宽度相等，同时减小孔洞间距并增加深度和宽度，可以实现最有效的爆震波抑制效果。这些发现为氢能设施的安全设计提供了工程指导。
引言
爆震燃烧的研究是一个复杂的过程，它结合了流体动力学、波动动力学和强烈的化学反应。爆震的传播速度远大于缓燃速度，可达到超过1000米/秒[1]。由于反应时间短，它可以被视为等容燃烧[2]。爆震燃烧过程中释放出巨大的能量，可能导致灾难性后果。在煤矿开采中，爆震波可以将甲烷爆炸压力提高几个数量级，远远超出矿井隧道和设备的承受极限，导致人员伤亡和财产损失[4]。在天然气运输中，爆震波产生的巨大压力可能会损坏管道，导致天然气泄漏和爆炸；在传统飞机发动机中，爆震会导致燃烧室内压力和温度的显著波动，影响燃烧效率和推力输出，从而降低发动机性能。因此，理解爆震波的形成和传播机制对于最小化此类灾难至关重要[5]。研究表明，爆震前沿呈现出由三重点痕迹组成的复杂三维瞬态蜂窝结构[[6]]、[7]]、[8]]。研究爆震的起始[[9]]、[10]]、[11]]和传播过程非常重要。大量研究及相关实验表明，边界条件和壁面是影响爆震波传播的重要因素[[13]]、[14]]、[15]]。孔洞对波动动力学的影响将影响爆震波的整体传播特性[16]。
多孔壁是边界条件之一。此前，在多孔壁管中爆震波的数值[17,18]和实验[[19]]、[20]]、[21]]研究方面取得了显著进展。Bivol等人[22]通过实验研究了矩形截面通道中氢气-空气混合物的爆震衰减和火焰传播。Jiang等人[23]利用化学发光、明暗相间法和烟尘箔技术研究了多孔壁对爆震波起始和传播阶段的影响。研究发现，当质量向多孔壁扩散时，爆震波会发生弯曲。如果混合物中的氧含量增加，波前曲率会减小，局部解耦和再点火现象会消失。为了研究标准大气压下化学计量比氢气-空气混合物中的爆震抑制作用，Bivol和Golovastov[24]实验研究了三种矩形通道中爆震波的传播。结果表明，即使覆盖隧道内面积的三分之一，也能实现爆震衰减。
Golovastov等人[25]研究了氢气和空气混合物在粗糙表面上的爆震波传播。他们研究了在隧道内壁引入多孔层对爆震波振幅和爆震波产生的压力脉冲的影响。发现应用钢棉纤维制成的多孔涂层是抑制爆震最有效的方法[26]。Navid Mehrjoo等人[27]试图研究临界管径下稳定和不稳定混合物的失效机制。结果表明，对于不稳定混合物，成功的传播在很大程度上取决于前沿产生局部爆炸核的稳定性。对于如高浓度氩气稀释的稳定混合物，横波通常较弱，因此其通过多孔介质的衰减对爆震传播的临界条件影响较小。Radulescu等人[20]通过测量三种典型不稳定混合物（氧-丙烷、氧-甲烷和氧-乙炔混合物）的衰减和失效过程，揭示了多孔壁处横波衰减与反应区三重点再放大之间的持续竞争。研究表明，多孔壁管中典型碳氢化合物爆震的失效机制是横波结构的衰减。这些不稳定爆震的失效极限似乎取决于壁附近横波的衰减率与反应区局部扰动产生的新横波之间的平衡。Wang等人[28]研究了在平滑管和孔隙率为28.6%的多孔管中，化学计量比氢气-氧气混合物（稀释有Ar和N2）的爆震传播。实验中发现，由于多孔管中横波的消失，爆震能够传播的距离明显小于平滑管。
Zeldovich等人[30]首次使用全局流体动力学建模来确定在壁层质量扩散存在的情况下爆震波的传播方式[29]。已经提出了多孔壁管中爆震传播的实验配置[[31]]、[32]]、[33]]，以捕捉爆震极限对控制爆震结构反应速率的物理过程的依赖性。Mazaheri等人在一个尺寸较小的毛细通道中进行了数值模拟。研究发现，当爆震波进入多孔部分时，横波和三重点在多孔壁反射后的衰减和失效非常显著。此外，实验结果表明，在结构不规则的爆震中，横波衰减是爆震失效的主要机制。为了研究多孔壁通道中气体爆震的传播，Mazaheri等人[34]将单步Arrhenius动力学模型与二维Euler方程结合，分别研究了高激活能和低激活能的混合物。通过对它们规则和不规则爆震结构的分析，发现多孔壁中爆震波传播的失效机制是横波衰减和质量向多孔壁的扩散。
尽管取得了这些进展，但单个孔洞几何参数（深度、宽度和间距）对爆震抑制的影响仍不够明确。大多数先前的研究仅限于定性观察或整体孔隙率效应，从而在定量理解特定孔洞尺寸如何控制横波衰减方面存在空白。这些知识对于指导氢能应用中的多孔管设计至关重要。
本研究通过系统的参数化数值模拟填补了这一空白。采用了一个充满化学计量比氢气-空气混合物（300 K，1个大气压）的多孔管的二维模型，来研究孔洞深度（1–20毫米）、宽度（1–20毫米）和间距（1–10毫米）的变化对爆震单元尺寸的影响。第2节描述了数值模型和验证研究。第3节展示了孔洞几何形状的影响结果，包括进行归一化分析以增强物理普适性。第4节总结了关键发现及其对氢能工程的影响。
部分摘录
仿真设置
如图1所示，孔洞的宽度为W，间距为I，深度为D。在后续的数值模拟中，W、I和D的长度会发生变化。计算域的所有壁面都施加了滑移壁边界条件。在多孔管左侧壁附近选择一个长度为10毫米、宽度为0.5毫米的小矩形区域作为点火源，该区域的温度为2000 K，压力为15个大气压（图1中的黑色区域）。
结果与讨论
本研究设置了48种不同孔洞尺寸的情况，详细参数显示在表2中。可以通过调整孔洞的宽度、高度和间距来修改多孔部分。在所有情况下，固定一个参数将情况分为十二组。
在本研究中，采用爆震单元尺寸作为评估横波抑制效果的主要指标。这一选择是基于单元尺寸与...
结论
本研究通过数值方法探讨了孔洞几何形状（深度、宽度和间距）对充满化学计量比氢气-空气混合物的多孔管中爆震波衰减的影响，初始条件为300 K和1个大气压。基于48次模拟，在此参数范围内得出以下结论：
(1)孔洞间距的影响：减小孔洞间距通过限制横波再生的空间来增强爆震抑制效果。当间距足够大时，新的横波...
作者贡献声明
Xuehuai Yan：撰写——原始草案、软件、方法论、调查、概念化。Zhiwu Wang：撰写——审阅与编辑。Jingjing Huang：撰写——审阅与编辑。Yuxiang Hui：撰写——审阅与编辑、软件。Wenshuo Shi：撰写——审阅与编辑、监督、方法论。
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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12372338和22575186）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515011663）以及深圳市科技创新计划（项目编号：JCYJ20230807145210021）的财政支持。
