甲烷添加對(duì)氫氣燃爆特性的影響1)

萬(wàn)小剛 劉 偉 方 坦 代鴻超 蔡 驍 李倩倩 王金華 ,2)黃佐華 蘭雪影 常雪倫

*(中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，合肥 230088)

?(國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

**(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)下，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源快速增長(zhǎng)，但其波動(dòng)性是主要難題。氫氣由于具備不含碳、可再生等優(yōu)點(diǎn)被視為有前途的清潔能源載體。將波動(dòng)的可再生能源轉(zhuǎn)化為包括氫氣在內(nèi)的多種形式，再轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能輸出，是有效的儲(chǔ)能和綜合能源利用方式。與甲烷、丙烷等傳統(tǒng)氣體燃料相比，氫氣具有更寬的可燃極限、更低的點(diǎn)火能量和更高的燃燒速度，如果發(fā)生泄漏會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的燃爆風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。因此，燃爆是氫氣制備、儲(chǔ)存、輸運(yùn)和應(yīng)用全過(guò)程中的重要安全問(wèn)題，是氫氣大規(guī)模應(yīng)用必須攻克的難題。摻混少量烷烴如甲烷，可以在保持氫氣熱值的同時(shí)顯著降低氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)，因此甲烷/氫氣燃料在氫氣利用方面引起了廣泛關(guān)注[3-4]。為了保證氫氣的安全利用，必須開(kāi)展富氫/甲烷燃料的爆炸特性研究，為爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。

可燃極限是評(píng)估可燃?xì)獗L(fēng)險(xiǎn)最常用的參數(shù)之一，分為濃燃極限（upper flammable limit,UFL）和稀燃極限（lean flammable limit, LFL）。關(guān)于氫氣、甲烷可燃極限的研究已經(jīng)逐步開(kāi)展[5-8]。Li等[9]通過(guò)20 L的球形容器研究了添加氫氣對(duì)甲烷L(zhǎng)FL的影響，發(fā)現(xiàn)加氫降低了甲烷L(zhǎng)FL。Van den Schoor等[10]評(píng)估了三種數(shù)值計(jì)算方法對(duì)氫氣/甲烷/空氣混合氣UFL的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，并提供了燃料中氫氣體積占比最多40%的UFL數(shù)據(jù)。最近，Hao等[11]將0～2%體積分?jǐn)?shù)的氫氣添加到貧燃、化學(xué)計(jì)量比、富燃的甲烷/空氣預(yù)混氣中研究氫氣對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣可燃極限的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)混氣UFL和LFL均呈線性下降趨勢(shì)，LFL降低更加明顯，導(dǎo)致可燃范圍增加。

燃爆壓力也是可燃?xì)獗L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)注的重要參數(shù)之一。最近，研究人員針對(duì)甲烷/氫氣/空氣混合氣的燃爆壓力開(kāi)展了一系列的研究[12-15]，表明添加氫氣到甲烷中會(huì)提升混合氣燃爆壓力。Shen等[16]利用容積為20 L的球形容彈開(kāi)展氫氣燃料體積含量0～30%變化下氫氣/甲烷/空氣混合氣的燃爆壓力實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，混合氣的層流燃燒速度隨氫含量增加而增大，但氫含量在小于30%時(shí)混合氣最大爆炸壓力與甲烷非常接近。文獻(xiàn)[17]在化學(xué)當(dāng)量比（φ）等于1的情況下，對(duì)氫氣/甲烷/空氣（燃料中氫摩爾含量為 10%）的爆炸行為和純甲烷/空氣混合氣進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，低氫氣含量對(duì)最大爆炸壓力、爆燃指數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)燃料中氫含量超過(guò)50%時(shí)，氫氣/甲烷/空氣的最大壓力升高率和層流燃燒速度顯著提升[18]。Li等[19]采用 20 L球形容器實(shí)驗(yàn)研究了貧燃?xì)錃?甲烷/空氣混合氣爆炸的溫度依賴性，發(fā)現(xiàn)添加氫氣對(duì)稀燃甲烷/空氣的影響體現(xiàn)在熱損失變化引起的火焰速度加快和爆炸時(shí)間增長(zhǎng)上。最近，Yang等[3]針對(duì)氫氣占比為80%的混合燃料研究了富氫/甲烷/空氣當(dāng)量比對(duì)燃爆壓力變化規(guī)律的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比對(duì)壓力發(fā)展歷程有強(qiáng)烈影響。已有研究表明，目前對(duì)甲烷/氫氣/空氣混合氣燃爆壓力的研究還局限于較低氫氣含量，甲烷添加、當(dāng)量比改變對(duì)氫氣燃爆壓力的影響機(jī)理也需要進(jìn)一步探究。

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在密閉容器中開(kāi)展甲烷摻混對(duì)氫氣可燃極限以及燃爆壓力影響的研究對(duì)純氫、富氫燃料的利用具有十分重要的指導(dǎo)意義。然而已有研究大多局限于燃料中氫含量不高于80%和較窄的當(dāng)量比工況，富氫氣/甲烷/空氣的基礎(chǔ)燃燒爆炸數(shù)據(jù)仍然缺乏。本研究旨在研究0～100%體積含量甲烷添加對(duì)氫氣/甲烷/空氣混合氣可燃極限的影響規(guī)律，獲取純氫氣與10%甲烷/90%氫氣混合氣在當(dāng)量比0.3～2.0下的爆炸壓力演變，進(jìn)而揭示當(dāng)量比和添加甲烷對(duì)富氫可燃?xì)馊急匦缘挠绊憴C(jī)理，為氫氣的安全應(yīng)用提供數(shù)據(jù)與理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本研究可燃極限與燃爆實(shí)驗(yàn)在內(nèi)部直徑300 mm，長(zhǎng)310 mm，容積約22 L的不銹鋼圓柱形定容燃燒彈中開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由定容燃燒彈腔體、高速紋影系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、溫度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。定容燃燒彈兩端各裝有一片光學(xué)直徑為150 mm的石英玻璃形成光學(xué)通道，便于高速攝影系統(tǒng)記錄火焰?zhèn)鞑v程。容彈腔體外側(cè)纏繞加熱帶，通過(guò)溫度不確定度為±3 K的比例積分微分控制系統(tǒng)進(jìn)行腔內(nèi)氣體溫度控制。一對(duì)鎢電極水平徑向布置在腔體內(nèi)用于火花點(diǎn)火。在實(shí)驗(yàn)中，燃料、氧氣和氮?dú)獍凑辗謮憾杀灰来瓮ㄈ胍殉檎婵盏娜輳椫?。等?0 min確保氣體達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)并完全混合后，混合氣通過(guò)放電火花引燃，同時(shí)腔室內(nèi)爆炸壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系被壓力傳感器 （Kistler 7001）搭配一個(gè)電荷放大器（Kistler 5011）以100 kHz的取樣頻率記錄，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程使用高速相機(jī)（Phantom v611）以752×752像素、5000幀/秒記錄。燃燒結(jié)束后，燃燒彈被抽真空，接著通入干空氣重復(fù)沖洗3～4次以避免上次實(shí)驗(yàn)殘余氣體的影響。每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)2～3次，以確保實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，減少隨機(jī)誤差。作為實(shí)驗(yàn)波動(dòng)幅度參考值，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得的標(biāo)準(zhǔn)差值被作為誤差棒在圖中給出。本裝置符合ASTM E918 標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)試可燃極限時(shí)電極間隙設(shè)置為5 mm，采用15 kV，30 mA標(biāo)準(zhǔn)電源，放電持續(xù)0.2 s。在開(kāi)展可燃物爆炸特性實(shí)驗(yàn)中，采用高壓包放電，點(diǎn)火間隙2 mm，點(diǎn)火能約100 mJ。本研究實(shí)驗(yàn)空氣由摩爾比為21/79的O2和N2配制獲得。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

對(duì)于爆炸特性研究，爆炸壓力峰值Pmax，爆炸時(shí)間tc，最大壓力升高率(dp/dt)max是定量表征爆炸危險(xiǎn)性和后果的最重要參數(shù)[20]，可以從壓力時(shí)間曲線中獲取。壓力曲線由于燃燒噪聲、燃燒不穩(wěn)定性以及電信號(hào)和機(jī)械噪聲的干擾往往會(huì)出現(xiàn)振蕩，為了獲取具有統(tǒng)計(jì)意義的爆炸參數(shù)，平滑濾波常被引入。濾波選用過(guò)寬或過(guò)窄的窗口點(diǎn)都是不合適的，根據(jù)Sun[21]的建議，平滑濾波前后需要保持ta在±3%偏差范圍內(nèi)，其中ta為壓力變化率增長(zhǎng)至峰值50%處所需時(shí)間。圖2為濾波前后的壓力曲線（在純氫氣當(dāng)量比0.4的工況）。圖2對(duì)比了原始數(shù)據(jù)與平滑濾波處理后的曲線，平滑濾波通過(guò)Savisky–Golay方法進(jìn)行，參數(shù)設(shè)置為二階多項(xiàng)式和30點(diǎn)數(shù)據(jù)窗口。可以發(fā)現(xiàn)，盡管峰值壓力處有較大的波動(dòng)，但整體壓力時(shí)間曲線變化不大。壓力升高率dP/dt去除振蕩前后的差距較大，原始的壓力升高率均勻分散在平滑濾波值附近。濾波前后對(duì)應(yīng)的ta分別為67.91 ms和68.55 ms，相對(duì)誤差僅約為1.09%，低于3%的標(biāo)準(zhǔn)，因此數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以認(rèn)為是合理和可接受的。如圖3所示，峰值壓力為壓力最高值，從點(diǎn)火時(shí)刻到壓力到達(dá)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為爆炸時(shí)間tc。對(duì)于球形火焰，tc火焰面剛好與腔室內(nèi)壁接觸，在此之前燃料放熱始終大于熱輻射，tc時(shí)刻燃燒熱釋放率等于熱損失速率。而對(duì)于柱形容器，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為tc時(shí)刻燃料剛好燃燒完成。最大壓力升高率對(duì)應(yīng)壓力隨時(shí)間上升最快的速率，其大小用圖中虛線斜率表示。

圖2 平滑濾波前后的（a）壓力時(shí)間曲線與（b）壓力升高率時(shí)間曲線Fig.2 Curve comparison before and after smoothing filter processing: (a) Pressure-time curve and (b) Pressure rise rate-time curve

圖3 爆炸參數(shù)的定義Fig.3 Definition of explosion parameters

由于壓力升高率與燃燒容器的形狀大小有密切的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用爆炸因子KG用于衡量封閉空間內(nèi)的爆炸危險(xiǎn)性，定義為KG=(dP/dt)maxV1/3，其中V是容器的體積。該參數(shù)在考慮了最大壓力升高率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了封閉空間尺寸的影響，因此該參數(shù)只取決于可燃混合物。

2 結(jié)果與討論

圖4顯示了在氫氣/空氣預(yù)混氣中添加甲烷后UFL和LFL以及可燃范圍的變化規(guī)律。可燃極限為可燃?xì)庠诳扇細(xì)?空氣混合物中體積占比或摩爾分?jǐn)?shù)，可通過(guò)UFL(LFL) = mol(CH4+ H2)/[mol(CH4+ H2) + mol(air)]計(jì)算獲得，可燃范圍為UFL與LFL差值。XCH4代表甲烷在甲烷/氫氣二元燃料中的摩爾分?jǐn)?shù)，通過(guò)XCH4= mol(CH4)/[mol(CH4) + mol(H2)]計(jì)算獲得。本部分實(shí)驗(yàn)在298 K初始溫度和101.3 kPa初始?jí)毫ο麻_(kāi)展，其中XCH4= 0～100%。進(jìn)一步說(shuō)明，本研究中可燃極限是接近可燃卻不可燃的燃料氣體積占比，測(cè)試精度為±0.1%?？梢钥闯?，在甲烷體積含量從0%增加到10%的過(guò)程中，混合氣的UFL從75.9%降低到53.0%，下降了22.9%。由此可見(jiàn)，添加10%甲烷即可對(duì)氫氣的可燃性質(zhì)產(chǎn)生顯著的抑制效果。隨著XCH4從30%增加至50%，UFL從35.1%降低至26.5%，僅下降16.6%，這意味著向純氫氣中添加甲烷，能夠持續(xù)降低氫氣的UFL，且降低程度隨著甲烷含量持續(xù)增加而減小。

圖4 甲烷添加對(duì)混合氣可燃極限的影響Fig.4 Effect of methane addition on flammability limit of mixture

由于氫氣和甲烷在空氣中的LFL分別約4%和5%，可以預(yù)見(jiàn)，相比于UFL變化程度，甲烷添加對(duì)氫氣的LFL影響很小。因此，氫氣預(yù)混氣的可燃范圍隨甲烷的添加呈現(xiàn)指數(shù)式下降趨勢(shì)。甲烷摻氫可燃?xì)獾目扇紭O限測(cè)試值見(jiàn)表1。為了深入研究高氫含量下氫氣/甲烷/空氣預(yù)混氣的爆炸特性，下面選取XCH4= 10%的甲烷/氫氣混合氣開(kāi)展變當(dāng)量比條件下的燃爆壓力研究。

表1 不同甲烷含量下氫混合氣的可燃極限Table 1 Flammability limit of hydrogen mixture with different methane content

氫氣/空氣與氫氣/甲烷/空氣在寬廣當(dāng)量比下的壓力演變歷程如圖5所示。對(duì)于所有當(dāng)量比下爆炸過(guò)程的壓力時(shí)間曲線都可以分為恒壓階段、增壓階段和降壓階段。在恒壓階段，密閉容彈內(nèi)瞬態(tài)壓力保持在初始值，此時(shí)球形火焰直徑較小，火焰面外的大部分未燃?xì)馊匀槐３殖跏嫉睦砘再|(zhì)。在增壓階段，受傳播火焰面內(nèi)化學(xué)反應(yīng)影響，未燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅減小，球形火焰內(nèi)部的已燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加?；旌蠚庠邳c(diǎn)燃后，腔室內(nèi)的壓力逐漸增大到最大值后，因熱損失的增加又逐漸降低，甚至降低至初始?jí)毫σ韵隆?/p>

圖5 （a）氫氣/空氣與（b）氫氣/甲烷/空氣在寬廣當(dāng)量比下的壓力演變過(guò)程Fig.5 Pressure evolution process under a wide equivalence ratio of (a) hydrogen/air and (b) hydrogen/methane/air

圖5(a)為氫氣/空氣的壓力時(shí)間變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量比的影響顯著。隨著當(dāng)量比的增加，峰值壓力先增大，后降低。值得注意的是，氫氣/空氣的壓力峰值在稀燃側(cè)隨當(dāng)量比改變較大，但在當(dāng)量比1.2～1.6處較為接近，這是由于氫氣的絕熱火焰溫度Tad最大值出現(xiàn)在略微富燃側(cè)，因而富燃側(cè)爆炸釋放的熱量隨當(dāng)量比的改變相比于貧燃側(cè)更小。此外，稀燃側(cè)點(diǎn)火觸發(fā)到峰值壓力的時(shí)間隨當(dāng)量比變化的差別較大，但濃燃側(cè)差別很小。圖5(b)給出了添加10%體積含量甲烷的混合氣燃燒壓力時(shí)間曲線。同樣地，隨著當(dāng)量比的增加，壓力峰值先增大后減小，但是恒壓段時(shí)間明顯縮短。不同當(dāng)量比下，富氫/甲烷/空氣壓力曲線峰值壓力對(duì)應(yīng)的時(shí)間均超過(guò)0.5 s，約為氫氣/空氣的10倍，這意味著加入甲烷會(huì)大幅降低氫混合氣的燃爆速度。

圖6給出了添加甲烷前后氫混合氣的歸一化最大爆炸壓力、絕熱爆炸壓力和絕熱火焰溫度隨當(dāng)量比的變化規(guī)律。本研究在φ = 1.0下的結(jié)果與Xie等[22]和Li等[23]的文獻(xiàn)值十分接近，證明了本實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性，適合于氫混合氣爆炸特性的研究。隨著當(dāng)量比增加，歸一化最大爆炸壓力先升高后下降，峰值出現(xiàn)在φ = 1.0附近，與是否摻混甲烷無(wú)關(guān)?；旌蠚廨^稀時(shí)，歸一化最大爆炸壓力對(duì)當(dāng)量比的變化較為敏感，而在濃燃條件下變化趨勢(shì)則較為平緩。添加甲烷后，在φ =1.0附近，最大爆炸壓力略有降低，但總體十分接近。為了消除熱損失的影響，引入絕熱爆炸壓力。絕熱爆炸壓力假設(shè)火焰?zhèn)鞑ナ呛愣ㄈ莘e和絕熱過(guò)程，本研究采用式（1）計(jì)算絕熱爆炸壓力，

圖6 氫氣/空氣和10%甲烷/90%氫氣/空氣的（a）歸一化最大爆炸壓力Pmax/P0和絕熱爆炸壓力Pa/P0以及（b）絕熱火焰溫度Tad隨當(dāng)量比的變化Fig.6 (a) Normalized explosion max pressure Pmax/P0 and adiabatic explosion pressure Pa/P0 and (b) adiabatic flame temperature Tad change with equivalent ratio for hydrogen/air and 10% methane/90% hydrogen/air

式中，Pa代表絕熱爆炸壓力，P0代表初始?jí)毫Γ?01.3 kPa），Ta代表絕熱火焰溫度，na和n0分別代表已燃?xì)夂臀慈細(xì)夥肿訑?shù)。Xie等[22]指出最大絕熱火焰溫度與最大絕熱爆炸壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比是一致的，兩者都出現(xiàn)在φ = 1.1處，這與本結(jié)果相符。值得注意的是，摻混甲烷后的氫混合氣在φ = 1.0處的最大絕熱爆炸壓力更高，這意味著實(shí)驗(yàn)得到的最大爆炸壓力不僅僅取決于燃料燃燒釋放出來(lái)的熱量，還與壁面熱損失相關(guān)。這歸因于向氫氣中添加甲烷減弱了化學(xué)反應(yīng)，混合氣層流燃燒速度降低，腔室內(nèi)燃燒持續(xù)時(shí)間增加，因而傳導(dǎo)到壁面的熱量損失增加，導(dǎo)致φ =1.0處峰值壓力略有降低。

爆炸時(shí)間tc與達(dá)到最大爆炸壓力的時(shí)刻密切相關(guān)，對(duì)于安全裝置的設(shè)計(jì)和確保壓力容器的主動(dòng)保護(hù)也非常重要。圖7展示了不同當(dāng)量比和添加甲烷對(duì)爆炸時(shí)間和層流燃燒速度的影響?？梢钥吹?，對(duì)于氫氣/空氣混合氣，爆炸時(shí)間隨當(dāng)量比的增加單調(diào)減小，爆炸時(shí)間到達(dá)最小值后，爆炸時(shí)間幾乎保持不變；而添加甲烷后，隨當(dāng)量比的增加，爆炸時(shí)間會(huì)在φ ＞ 1.2以后略有增加。相反的趨勢(shì)出現(xiàn)在層流燃燒速度的變化過(guò)程中，如圖7虛線所示，即氫氣/空氣層流燃燒速度隨當(dāng)量比增大先升高后略微降低，在φ = 1.6附近達(dá)到最大值。而添加甲烷后混合氣爆炸時(shí)間隨當(dāng)量比的改變呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，尤其是在當(dāng)量比0.3處，其爆炸時(shí)間約為1.1 s（未在圖7中展示），遠(yuǎn)高于相同當(dāng)量比下氫氣的爆炸時(shí)間。層流燃燒速度在φ = 1.3附近達(dá)到最大值，層流燃燒速度隨當(dāng)量比的進(jìn)一步增加顯著減小。較高的層流燃燒速度意味著可燃混合物的快速消耗和較短的燃燒持續(xù)時(shí)間。因此，本研究表明爆炸時(shí)間隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)與層流燃燒速度的變化具有密切負(fù)相關(guān)關(guān)系，但添加10%甲烷后最短爆炸時(shí)間由0.022 s增長(zhǎng)到0.52 s，增加20倍左右，數(shù)倍于層流燃燒速度的變化倍數(shù)。這主要是由于層流燃燒速度降低，導(dǎo)致熱損失時(shí)間加長(zhǎng)，進(jìn)一步減弱了反應(yīng)強(qiáng)度。在實(shí)際燃燒室中，峰值壓力的時(shí)間總是發(fā)生在可燃混合物耗盡之前的時(shí)刻。此時(shí)，熱釋放率剛好等于熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的熱損失率。

圖7 氫氣/空氣和10%甲烷/90%氫氣/空氣的爆炸時(shí)間和層流燃燒速度Fig.7 Explosion times and laminar burning velocity of hydrogen/air and 10% methane /90% hydrogen/air

最大壓力上升率和爆炸因子是評(píng)估爆炸過(guò)程中的危害和設(shè)計(jì)防爆裝置的重要參數(shù)。圖8展示了當(dāng)量比和添加甲烷對(duì)最大壓力升高率和爆炸因子的影響。在φ = 0.9附近爆炸因子最高，在較稀和較濃工況下爆炸因子均會(huì)有所降低。添加10%甲烷后，氫混合氣的最大壓力升高率和爆炸因子改變顯著，由于實(shí)驗(yàn)誤差，φ = 1.0處最大壓力升高率與總體趨勢(shì)存在較大差異，采用紅色實(shí)心點(diǎn)標(biāo)記處。特別是φ = 0.9處最大壓力升高率從322 MPa/s降低至約99 MPa/s，降低接近69%。

圖8 氫氣/空氣和10%甲烷/90%氫氣/空氣的最大壓力升高率和爆炸因子Fig.8 Maximum pressure rise rate and explosion factor of hydrogen/air and 10% methane /90% hydrogen/air

根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]，密閉容器內(nèi)的壓力升高率可以用爆炸壓力和層流燃燒速度解釋。如上所述，添加甲烷會(huì)減小燃燒速度，從而減小爆炸壓力。Zheng等[25]也指出爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣让芮邢嚓P(guān)。然而，Cai等[26]的研究表明氫氣球形傳播火焰面具有明顯的細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致火焰自加速現(xiàn)象，進(jìn)一步提升氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。最近，Li等[23]基于高速攝像機(jī)捕捉的甲烷/氫氣/空氣混合氣圖像，通過(guò)量化火焰面的褶皺程度，對(duì)基于光滑火焰面提出的最大壓力升高率計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，提高了爆炸壓力的預(yù)測(cè)能力。這意味著火焰面裂紋與細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)也是燃爆壓力發(fā)展歷程的重要影響因素。為了了解氫氣/甲烷混合物的火焰面結(jié)構(gòu)特征與燃爆特性之間的關(guān)系，本研究利用高速相機(jī)捕捉火焰圖像并對(duì)添加甲烷前后火焰?zhèn)鞑D像的形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。對(duì)純氫火焰面，隨混合氣從稀燃到濃燃，氫氣熱擴(kuò)散系數(shù)與質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)之比逐漸增大[25-26]，火焰面褶皺逐漸減少；當(dāng)熱擴(kuò)散系數(shù)超過(guò)質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，熱擴(kuò)散穩(wěn)定性會(huì)減少火焰面裂紋的數(shù)量，使火焰趨于光滑。添加甲烷能夠明顯增加可燃物熱擴(kuò)散系數(shù)與質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)比值[23]，導(dǎo)致火焰面的胞狀結(jié)構(gòu)和裂紋減小，甚至在高當(dāng)量比下消失，降低了對(duì)火焰?zhèn)鞑ゼ铀儆绊?。因此，添加甲烷?huì)顯著減少火焰面裂紋與細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，對(duì)燃爆壓力的降低起到一定作用。

圖9 氫氣/空氣和10%甲烷/90%氫氣/空氣在不同當(dāng)量比下的火焰形態(tài)Fig.9 Flame morphology of hydrogen/air and 10%methane /90% hydrogen/air

3 結(jié)論

本研究采用定容燃燒彈對(duì)0～100%甲烷添加對(duì)氫氣可燃極限開(kāi)展測(cè)量，并針對(duì)10%甲烷體積添加量下氫氣/甲烷/空氣混合氣在寬廣當(dāng)量比下的壓力歷程變化展開(kāi)詳細(xì)機(jī)理分析。研究獲得的主要結(jié)論如下。

（1）在氫混合氣中，隨著甲烷的加入，濃燃極限顯著降低，導(dǎo)致氫混合氣可燃范圍隨甲烷含量增加呈指數(shù)趨勢(shì)縮小，僅添加10%甲烷就能夠?qū)浠旌蠚鉂馊紭O限降低22.9%。

（2）最大爆炸壓力隨當(dāng)量比的改變?cè)谙∪紓?cè)較為顯著，而在濃燃側(cè)較為平緩；添加甲烷會(huì)導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量比下絕熱爆炸壓力略微升高，但由于熱損失增加，添加甲烷導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)獲得最大爆炸壓力略微降低。

（3）爆炸時(shí)間隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)與層流燃燒速度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，在速度降低和燃爆過(guò)程熱損失增加的疊加作用下，添加甲烷使得爆炸時(shí)間增加20倍。

（4）添加10%甲烷導(dǎo)致當(dāng)量比0.9下最大壓力上升率與爆炸因子下降約69%，這與層流燃燒速率的降低以及火焰面細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)的減弱有直接關(guān)系。