当腔室中装有可开启的通风面板时，当量比对H2/CH4/空气混合气体爆炸的影响

《Fuel》：Effects of equivalence ratio on vented H2/CH4/air explosions in the chamber with a hinged vent panel

　　

Hongzhe Rong|Jialin Li|Jin Guo|Yiming Wang|Zhongrui Chen|Fuqiang Yang

福州大学环境与安全工程学院，中国福建省福州市350116

摘要

尽管H₂/CH₄燃料具有广阔的应用前景，但添加氢气会增加爆炸风险。因此，在其应用过程中通风技术至关重要。然而，关于惯性通风口对H₂/CH₄/空气混合物爆燃影响的研究仍然有限，尤其是在不同的当量比（?）下。本研究在一个1立方米的实验室内，使用装有铰链式通风口的顶部通风口，研究了预混H₂/CH₄/空气混合物的爆燃现象。实验考察了当量比（? = 0.6–1.8）对火焰发展以及内部和外部超压变化的影响。观察到了两个明显的内部超压峰值：P₁，发生在燃烧产率等于通风口排放流量时；P₂，由外部爆炸引起。随着?的增加，P₁和P₂的振幅先增大后减小。当? ≥ 1.4时，出现了低频的Helmholtz振荡，且这些振荡的振幅和频率都随?的增加而减小。此外，随着?的增加，外部爆炸火球的位置逐渐向下移动，接近通风口开口平面。在铰链式通风口打开过程中，角速度持续增加，直到面板达到90°后开始减小。在? = 1.2时，面板的旋转速度比? = 0.8时更快。此外，Molkov基于面板扭矩平衡的模型在这项1立方米测试中的有效性得到了验证，该模型在某些测试中表现良好。

引言

甲烷作为天然气的主要成分，具有高热值和易于运输的优点。然而，甲烷燃烧产生的温室气体与碳中和的目标相悖。为了提高燃烧效率并减少碳排放，一种常见的方法是将氢气与甲烷混合制成复合燃料[1]。然而，由于氢气的点火能量较低（0.02mJ）[2]且flammability范围较宽（4 – 75 vol%）[3]，其添加会扩大混合物的易燃范围[4]。研究还表明，随着氢气比例（χ）的增加，最大超压也会增加[5]，[6]。同样，Ma等人[7]发现添加氢气会提高爆炸温度。Shen等人[8]在20升标准球形容器中测量了H₂/CH₄/空气混合物的爆炸参数，发现随着χ从0增加到0.97，爆燃指数（K_G）从4.45上升到56.38。因此，采取适当的爆炸防护措施对于减轻密闭空间中H₂/CH₄/空气爆炸的风险非常重要。通风爆炸不仅可以减少压力波动[9]，而且被认为是最经济高效的方法之一。

影响H₂/CH₄/空气爆炸的最关键因素是当量比（?）和氢气体积分数（χ），其中?直接决定了爆炸的严重程度。Huang等人[10]观察到，在χ恒定时，Markstein数值随?的增加而增加，从而提高了火焰稳定性。因此，?是影响H₂/CH₄/空气爆炸的关键因素。在现有的H₂/CH₄/空气爆炸研究中，发现火焰速度受?的影响。正如Zheng等人[11]的研究所示，当χ = 50%时，火焰速度在? = 1.0时最快。此外，由于层流燃烧速度较高[12]，在? = 1.2时的火焰速度比? = 0.8时更快。H₂/CH₄/空气的?还影响外部爆炸超压（P_ext）、K_G以及超压波形结构[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。例如，Yang等人[13]在χ = 80%的H₂/CH₄/空气爆炸实验中观察到，初始时内部和外部压力随?的增加而增加，在? = 1.0时达到峰值，随后在测试范围内（? = 0.6–1.8）减小。他们还观察到，在? = 1.2时，P_ext低于? = 1.0时的值。相反，在一项涉及管道通风的研究[14]中，发现在χ = 75%时，? = 1.2时的P_ext高于? = 1.0时的值，最高P_ext出现在? = 1.1时。作为评估密闭空间爆炸风险的关键参数，在? = 0.9到1.3的范围内，Li等人[15]报告的K_G值最初增加，在? = 1.1时达到最大值8693.5493 kPa·m/s，随后随着?的进一步增加而减小。Liu等人[18]在直径较小的管道中进行了研究，观察到在χ = 40%和? = 1.0时出现了双峰超压结构。基于实验研究，已经开发了H₂/CH₄/空气通风爆炸的模拟[19]，[20]，[21]。Zhang等人[20]建立的模型准确预测了火焰前沿形态和超压瞬变过程，证明了其有效性。他们的模拟阐明了H₂/CH₄/空气通风爆炸的潜在机制。

为了解决无惯性通风系统可控性的局限性，惯性面板通风技术逐渐成熟。惯性面板在工程项目中得到广泛应用，促进了相关研究的发展。Guo等人[22]在一个1立方米的实验室内使用不同厚度的铰链式通风口进行了通风测试。他们发现，在固定χ的情况下，火焰通过通风口喷出的时间（T_out）随面板面积密度的增加而减小。H?chst和Leuckel[23]观察到，铰链式通风口仅在最大超压瞬间后完全打开，延迟时间随面积密度的增加而延长。基于H?chst和Leuckel[23]的实验工作，Molkov等人[24]为惯性通风装置开发了一个爆燃模型，该模型与实验数据在爆炸超压和通风口面板位移瞬变方面吻合良好。他们还为弹簧加载的惯性通风口开发了一个爆燃模型[25]，并为装有可移动惯性通风口的封闭空间中的爆炸建立了一个超压动态模型[26]，并在一个50立方米的封闭空间中验证了超压和瞬变位移响应。与无惯性通风口相比，惯性面板的研究较少，尤其是在H₂/CH₄/空气混合物中的应用方面。

目前关于密闭空间中通风爆燃特性的研究主要集中在无惯性通风口上，对铰链式通风口的影响关注较少。在铰链式惯性通风系统中，H₂/CH₄/空气混合物的爆炸表现出更复杂的超压动态和火焰行为。此外，大多数研究集中在χ的影响上，而影响爆炸严重程度的关键参数?的研究较少。此外，关于小角度铰链式通风口在H₂/CH₄/空气爆炸中的运动特性的经验模型的预测能力仍不清楚。为了解决这些问题，本研究使用了一个面积为10.8千克·米^-2的铰链式面板覆盖的1立方米实验室。建立了覆盖? = 0.6–1.8的测试条件，以评估?对内部和外部超压以及火焰行为的影响。研究发现，与无惯性通风口相比，外部火焰和?在最大外部爆炸超压峰值时的差异显著。此外，还测量了? = 0.8和1.2时铰链式通风口的旋转过程，并分析了角位移和角速度的变化。这些测试验证了基于面板扭矩平衡的Molkov模型的有效性。这些结果为H₂/CH₄/空气气体系统的安全设计提供了信息，并有助于优化爆炸防护。

章节片段

实验装置

图1显示了实验中使用的测试室，其几何尺寸为1.0米（长）× 0.55米（宽）× 1.8米（高）。在测试室的上壁安装了一个矩形通风口（0.4米× 0.7米），该通风口由一个面积为10.8千克·米^-2的铰链式面板覆盖。该面板沿其长边铰接，可以向上旋转，且面积与通风口相同。还有三个尺寸为0.4米× 0.7米的玻璃观察窗

当量比?对内部超压的影响

图2显示了? = 1.4时的压力-时间历史。点火后，由于H₂/CH₄/空气预混混合物的燃烧过程，室内内部超压逐渐增加。图3(a)展示了点火后球形火焰的传播情况。随后，火焰表面积扩大，燃烧速率加快，燃烧产物的产生速率增加，因此内部超压继续上升

结论

本研究重点研究了当量比（? = 0.6–1.8）对H₂/CH₄/空气（χ = 80%）在装有铰链式通风口的实验室内爆燃过程中火焰发展和内部及外部超压的影响。还分析了面板的开启动态，并与? = 0.8和1.2的理论模型进行了比较。本研究得出了一些关键发现：

(1) P₁（由气体产生速率等于排气速率引起）和P₂（由外部爆炸引起）最初

CRediT作者贡献声明

Hongzhe Rong：撰写 – 原稿撰写，正式分析。 Jialin Li：撰写 – 审稿与编辑。 Jin Guo：资源获取、方法论研究、资金申请。 Yiming Wang：可视化、数据调查。 Zhongrui Chen：数据调查。 Fuqiang Yang：监督。

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财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了福建省科技项目（项目编号2024H0041）和泉州市德化县陶瓷产业簇新技术研发团队的专项支持（项目编号2025N0056）的资助。