高壓氫氣泄漏自燃機(jī)理及其火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑芯?pdf

1、氫氣因其可再生、來源廣泛、燃燒過程對環(huán)境無污染，且有較高的能源利用效率等優(yōu)點，引起世界各國的關(guān)注和重視。由于氫氣密度較低，高壓儲氫已成為氫能發(fā)展中的一項關(guān)鍵技術(shù)。然而，氫氣有諸多不利于安全的特性，高壓氫氣一旦泄漏或發(fā)生意外事故，很有可能會造成火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害。特別是，在無明顯點火源的情況下，高壓氫氣泄漏后自發(fā)著火（自燃）進(jìn)而發(fā)展成為爆炸或噴射火，已成為氫氣高壓存儲的重大安全隱患。因此，在氫能經(jīng)濟(jì)到來之前，迫切需要對高壓氫氣泄漏自燃這一特

2、殊燃燒現(xiàn)象開展研究。本文主要基于擴(kuò)散點火理論，利用實驗和理論分析方法對高壓氫氣泄漏激波傳播特性、自發(fā)著火機(jī)理以及自燃火焰發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致的研究。
　　首先，利用動態(tài)壓力傳感器和高速紋影技術(shù)對高壓氫氣泄漏過程中激波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律，以及氫氣射流的微觀動力學(xué)發(fā)展過程開展研究，內(nèi)容包括不同結(jié)構(gòu)管道內(nèi)激波傳播特性、氫氣射流流場微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律等。結(jié)果表明，前導(dǎo)激波在管道內(nèi)產(chǎn)生，并向管道下游傳播，與此同時激波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)并最終趨于穩(wěn)定。

3、在常截面管道內(nèi)，激波傳播速度先增大后減小，并最終維持在一個常數(shù)。較細(xì)管徑的管道有利于穩(wěn)定的前導(dǎo)激波快速形成，且大于同等條件較大管徑管道內(nèi)的激波超壓。而激波在變截面管道內(nèi)傳播時，由于緊縮結(jié)構(gòu)或擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，會導(dǎo)致強(qiáng)烈的激波反射、激波-激波相互作用、激波聚焦作用等多維激波結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。同時發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)激波從管內(nèi)傳播到管外，其傳播速度表現(xiàn)為首先快速減小，之后再逐漸降低為聲速的傳播特點。完整記錄了激波、高壓氫氣射流流場結(jié)構(gòu)發(fā)展變化規(guī)律，先后觀察到半

4、球形激波、馬赫盤、反射激波、激波三相點等經(jīng)典激波結(jié)構(gòu)。
　　其次，借助壓力采集和火焰探測技術(shù)對管道內(nèi)自燃發(fā)生機(jī)理、自燃火焰成長機(jī)制以及點火發(fā)生臨界條件開展研究，提出了理論點火臨界壓力的概念，給出了等截面管道內(nèi)氫氣自燃發(fā)生的理論點火臨界壓力（為1.63MPa）。同時建立了判斷釋放管道內(nèi)自燃發(fā)生與否的預(yù)測模型，探討了影響自燃發(fā)生的可能因素。主要分析了泄放壓力、管道長度、直徑、管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變等因素對自燃發(fā)生的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)泄放壓力越大

5、，自燃發(fā)生的可能性越大，且初始點火越易在靠近管道上游位置發(fā)生。在實驗測量范圍內(nèi)（管長80-360mm，管徑10-20mm），管道長度的增大以及管道內(nèi)徑的減小，均有利于自燃的發(fā)生。另外，還發(fā)現(xiàn)釋放管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變可顯著的促進(jìn)自燃的發(fā)生，直接表現(xiàn)為變截面管道內(nèi)自燃發(fā)生的最小泄放壓力明顯低于常截面管道內(nèi)的點火臨界泄放壓力。特別是，局部緊縮管內(nèi)在泄放壓力僅為1.84MPa的條件下便會發(fā)生自燃，為目前已知的導(dǎo)致自燃發(fā)生的最低泄放壓力。進(jìn)一步討論

6、了局部擴(kuò)張管內(nèi)點火發(fā)生的三種可能位置。發(fā)現(xiàn)點火位置不同對應(yīng)的點火機(jī)制有明顯的區(qū)別。本文還詳細(xì)分析了管道內(nèi)自燃火焰成長的動力學(xué)過程，并提出了隔膜多步破裂行為誘發(fā)自燃發(fā)生、發(fā)展的新機(jī)制。隔膜完全打開前，由于微小泄漏形成大量的氫-空氣混合物。隨著隔膜進(jìn)一步破裂，一道激波可在局部預(yù)混氣體中產(chǎn)生并誘發(fā)點火，自燃火焰快速成長并在管外發(fā)展成為噴射火。
　　最后，對自燃火焰在管外的傳播動力學(xué)以及噴射火的形態(tài)演變機(jī)制開展實驗研究，利用圖像分析技術(shù)記

7、錄了自燃火焰?zhèn)鞑?、爆燃發(fā)展以及噴射火形態(tài)演變的動力學(xué)過程，同時對爆燃火焰導(dǎo)致局部受限空間的超壓特性進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明，自燃火焰?zhèn)鞑サ焦芡猓紫仍诠芸诟浇幮纬蓤F(tuán)狀火焰。之后，火焰團(tuán)演化為上游燃燒區(qū)和下游燃燒區(qū)兩部分，其中上游燃燒區(qū)繼續(xù)向前方傳播，而下游燃燒區(qū)在噴口附近處穩(wěn)定并逐漸增大。自燃火焰?zhèn)鞑コ跗?，膨脹的幾何效?yīng)抑制了擴(kuò)散層的對流作用，致使火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低。隨著氫氣射流在開放空間發(fā)生快速的動量輸運，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)急劇增加。

8、但隨著射流動量輸運速率的下降，可燃性混合物的產(chǎn)生速度減慢，火焰前鋒傳播速度逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定。由于氫氣射流動量輸運在防護(hù)箱內(nèi)的持續(xù)進(jìn)行，形成局部預(yù)混氫-空氣混合物，從而導(dǎo)致局部受限箱體內(nèi)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。爆燃火焰產(chǎn)生大量壓力波致使周邊環(huán)境壓力顯著升高。防護(hù)箱內(nèi)激波超壓均明顯小于爆燃作用超壓。本文建立了激波超壓和爆燃超壓隨初始泄放壓力增加的線性關(guān)系式。發(fā)現(xiàn)激波前沿和爆燃超壓值均隨管徑的增大而增加。爆燃結(jié)束后，自燃火焰轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簹錃鈬娚浠鸬?/p>