掺氢碳氢燃料是未来能源发展的趋势，而燃料掺氢后能够明显增加混合气体的爆炸危险性。近年来，学者们针对添加氢气对甲烷爆炸特性的影响已进行了大量研究。Ma等^[1-2]通过实验与数值计算的方法研究发现最大爆炸压力和爆炸温度随氢气体积分数增大呈线性升高。Yu等^[3]对不同氢气体积分数条件下的甲烷/氢气预混火焰传播特性进行详细的研究。Salzano等^[4]、Faghih等^[5]的研究表明：当氢气体积分数小于70%时，预混气体爆炸特性受氢气影响较小，此时爆燃指数随气体体积分数增加缓慢; 而氢气体积分数大于70%时，预混气体爆炸特性主要受氢气主导，此时爆燃指数呈指数增长。

可燃气体爆炸会受环境中障碍物的影响，障碍物的存在会加剧火焰传播过程中的湍流现象，而火焰/湍流的耦合作用对火焰传播速度有巨大的促进作用^[6-7]。管道内障碍物阻塞率和障碍物数量的不同会对管道内预混火焰传播特性造成巨大影响。大量研究发现：在一定范围内，预混火焰传播速度与峰值超压均随着障碍物阻塞率以及障碍物数量的增加而上升^[8-11]，而上升速率与障碍物的几何形态有关。丁以斌等^[12]、王成等^[13]通过实验研究不同形状障碍物对火焰传播速度和爆炸超压的影响，发现平板障碍物对火焰传播影响较大。Wen等^[14]通过研究交错障碍物对甲烷/空气爆燃火焰传播特征的影响，发现当障碍物位于中间位置的爆炸超压与火焰传播速度要远远大于障碍物位于两侧时。Na’inna等^[15-16]研究了障碍物间距对爆炸超压与火焰传播速度的影响，发现两障碍物之间存在一个最佳距离，使得爆炸超压与火焰传播速度达到最大值。

添加氢气和增加障碍物阻塞率均能改变甲烷气体的爆炸特性，但前人研究主要局限于某一个影响因素，而对甲烷气体爆炸规律受障碍物与氢气共同影响的研究较少。本文中在自制小尺寸实验平台上开展不同氢气体积分数条件下障碍物阻塞率及障碍物形状对甲烷爆炸特性的影响，获取不同障碍物阻塞率与形状下甲烷/氢气预混火焰传播结构、火焰传播速度和爆炸超压等数据，探索管道内障碍物阻塞率及形状对甲烷/氢气爆炸特性的影响规律，以期为后续研究提供参考。

1.   实验

为研究管道内障碍物阻塞率及形状对甲烷/氢气预混气体爆炸特性的影响，自主搭建小尺寸实验平台来捕捉管道内预混火焰传播行为。平台由实验管道、配气系统、点火系统和数据采集系统组成。实验管道尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，由透明石英玻璃制成，以便高速摄像机捕捉预混火焰传播行为。管道底部采用不锈钢钢板进行封闭，管道顶部(泄爆端)采用PVC薄膜封闭。配气系统主要使用3个高灵敏度质量流量控制器按照气体分压定律进行直接配气。点火装置、压力传感器和进气口均安装于管道底部钢板的中央位置，三者相距20 mm。光电传感器安装于管道外部并指向点火位置，用于标定火焰传播时间。实验过程中采用高频脉冲点火器点火，点火电压为6 V，点火能量为0.2 J; 利用数据采集卡采集爆炸过程中的压力信号，采集频率为15 kHz; 采用高速摄像仪采集预混火焰传播图像，采集频率为5000 s^-1。为对比分析障碍物阻塞率及形状对当量比为1时，甲烷/氢气预混气体爆炸特性的影响，实验在4个工况中进行，其障碍物阻塞率分别为0.3、0.4、0.5和0.5，其中工况3与工况4障碍物形状不同，各实验工况如图 1所示。预混气体中氢气体积分数分别为0%、25%、50%、75%和100%。

图  1  实验工况设置

Figure  1.  Experimental conditions

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预混气体中氢气体积分数可按下式计算：

式中：V(H₂)为氢气体积，V(CH₄)为甲烷体积。

燃料当量比为：

式中：F/A为燃料与空气体积比，(F/A)|_stoic为燃料与空气的燃空当量比。Φ＜1为贫燃; Φ=1为化学计量浓度; Φ＞1为富燃。

2.   实验结果分析

2.1   对预混火焰传播结构的影响

对高速摄像机采集到的爆炸预混火焰传播图像进行处理，得到火焰锋面结构随时间变化图像。图 2所示为各工况在氢气体积分数为50%时的预混火焰传播图像。从图中可以看出，点火初期各工况火焰传播结构基本相同^[17-18]。火焰传播遇障碍物后，由于障碍物阻塞率与形状的变化，其传播结构出现明显差异。在图 2(a)~(c)中，在火焰经过第1组障碍物时，由于障碍物的阻碍作用与已燃气体的膨胀作用，火焰锋面被拉长，形成尖端火焰锋面，且随着障碍物阻塞率的增加，这一现象变得更加明显。经过拉伸的火焰由第1组障碍物中间的空隙喷出，形成“蘑菇状”火焰结构。通过障碍物后的火焰在高压气流的作用下向两侧不断产生卷吸和褶皱，导致火焰传播结构变得扭曲，从而使得大量未燃烧气体与高温燃烧气体混合^[14]，进而导致预混火焰传播由层流向湍流转变。障碍物的阻塞率越大，经过障碍物时火焰锋面拉伸越长，形成的火焰通道越窄，加速效应愈明显。在图 2(d)中，障碍物位于管道中央位置，当火焰传播到第1组障碍物时，火焰前锋被障碍物压平，此后由于已燃气体膨胀产物的压缩作用与障碍物的阻挡作用，火焰由障碍物两侧空隙向下游喷出，形成两束火焰前锋。穿过障碍物后的火焰前锋在高压气流的作用下不断的卷吸和扭曲，形成“舌状”火焰前锋。由于火焰前锋的卷吸作用，这2个独立火焰锋面逐渐向管道中心轴线靠拢，重新结合在一起，在这一过程中，预混火焰完成由层流向湍流的转变^[19]。实验中含有3组障碍物，火焰通过每组障碍物时其传播结构会经历相似的变化过程。但经过的障碍物数量越多，火焰湍流特征越明显，火焰前锋变得更扭曲。

图  2  混合气体氢气体积分数为50%时各工况预混火焰传播图像

Figure  2.  Flame evolution structure for various conditions with 50% hydrogen fraction of stoichiometric mixtures

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图 3所示为工况3在混合气体氢气体积分数分别为φ=0, 25%, 75%和100%时预混火焰传播过程中的结构变化，φ=50%的结果则在图 2(c)中给出。从图 3中可以看出，随着氢气体积分数的增加，火焰颜色发生明显变化。当氢气体积分数为零时，在点火后，火焰传播初期呈淡蓝色，随着氢气体积分数的增加，火焰颜色逐渐出现黄色、红色，这是由于甲烷与氢气燃烧时，自由基浓度及其光谱不同而造成火焰颜色的变化^[20]。随着氢气体积分数的增大，火焰变得更加明亮，这表明火焰温度随着氢气体积分数的增大而升高^[21]。相同工况条件下预混火焰传播结构变化趋势基本相同，但是随着预混气体中氢气体积分数的增加，预混火焰稳定性逐渐减弱，使得火焰锋面变得更加扭曲。

图  3  不同氢气体积分数时工况3预混火焰传播图像

Figure  3.  Flame evolution structure for condition 3 with different hydrogen fractions of stoichiometric mixtures

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2.2   对预混火焰传播速度的影响

对高速摄像机拍摄到的火焰传播图像进行计算处理，得到火焰前锋速度随位置变化曲线。图 4所示为氢气体积分数φ=0, 50%, 100%时，不同工况下火焰前锋位置与速度的变化曲线。从图 4中可以看出，相同氢气体积分数条件下，各工况在火焰传播初期的火焰传播速度变化曲线基本保持重合。经第1组障碍物作用后，各工况火焰传播速度变化趋势基本相似，即火焰传播速度经过障碍物时经历先加速后减速然后再次加速的过程，这是由于经过障碍物时火焰被拉伸使得火焰加速，经过障碍物后火焰会向两侧或中央卷吸使得速度下降; 火焰传播速度大小出现明显的差别，这是由障碍物阻塞率变化而致使预混火焰湍流强度的变化所引起的，阻塞率越大时湍流强度越大，火焰/湍流耦合效应对火焰传播速度的加速效应愈发明显。火焰传播速度会随着障碍物阻塞率的增加而增大。对比工况3和4可以看出，阻塞率相同时，障碍物形状对火焰传播速度具有较大的影响。工况4的火焰传播速度明显大于工况3，且工况4的火焰传播速度变化更加剧烈。这主要因为障碍物位于管道中间位置时，经过障碍物后火焰锋面面积变化幅度较大，产生的火焰/湍流耦合效应对火焰速度的激励作用更加明显。

图  4  不同工况下火焰传播参数变化曲线

Figure  4.  Flame propagation parameters under different working conditions

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对比图 4(a)~(c)中火焰前锋位置-速度图可以看出，当混合气体中氢气体积分数较低(φ≤50%)时，火焰传播速度均呈现出先增加后下降再增加的变化趋势; 而氢气分数为75%和100%时，火焰传播速度在经过第1组障碍物后呈近似直线增长。火焰传播经第1组障碍物作用后会由层流转变为湍流，且实验过程中含有3组障碍物，而障碍物的数量能够明显增加火焰传播过程中的湍流强度^[22]。当混合气体中氢气体积分数φ≤50%时，氢气对火焰传播速度的增加效果较弱，火焰传播速度较慢，增加预混火焰湍流强度能够明显增加预混火焰传播速度; 在氢气体积分数较大(φ＞50%)情况下，预混火焰传播速度非常大，当预混火焰为湍流传播时，火焰/湍流耦合效应对火焰传播速度的加速效果并不明显^[23]，此时燃料自身燃烧特性对火焰传播速度的影响占据主导性作用，而湍流效应影响甚微。

表 1给出各工况预混火焰传播至管道出口所需时间t。从表中可以看出，添加氢气、增加障碍物阻塞率和改变障碍物形状均能使得火焰传播至出口所需时间缩短。对于工况1，在氢气体积分数从零增大到100%的过程中t相应地从34.30 ms缩短到5.45 ms，减少了84.11%。对于氢气体积分数为零阻塞率由0.3增大到0.5时，t相应地从34.30 ms缩短到30.45 ms，缩短11.22%。而氢气体积分数为零时障碍物位于两侧与中间的t分别为30.45 ms和28.75 ms，缩短5.58%。对数据对比分析可以看出，障碍物阻塞率与形状对预混火焰传播至出口所需时间明显影响要小于增加氢气体积分数对预混火焰传播至出口所需时间的影响。

表  1  预混火焰传播至出口所需时间

Table  1.  Time of flame needed to arrive at the vent

φ/%	t/ms
	工况1	工况2	工况3	工况4
0	34.30	31.95	30.45	28.75
25	25.68	24.95	23.90	22.90
50	19.40	18.45	17.30	16.20
75	11.58	11.30	10.45	9.50
100	5.45	5.40	5.00	5.14

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2.3   对超压的影响

图 5给出各工况在氢气体积分数φ=0和φ=50%时的压力随时间变化规律曲线。对比图 5可以发现，当预混气体中氢气体积分数在一定范围内(φ≤50%)，能够从压力曲线中明显观测到泄爆压力，此后泄爆压力会随着混合气体中氢气体积分数的增大而消失; 达到最大超压的时间会随着障碍物阻塞率及氢气体积分数的增大而减小; 当障碍物位于管道中间时达到最大超压的时间要小于障碍物位于管道两侧时的时间。根据Ibrahim等^[24]的定义，管道内出现的第1个压力峰值为泄爆压力; 第2个压力峰值称为峰值超压，此压力值为管道最大超压。但从图中5(a)中可以发现，各工况在泄爆压力形成之后最大超压形成之前的时间段内均出现1个压力峰值，该压力峰值会随着障碍物阻塞率的增大而变的不明显，也随着混合气中氢气体积分数的增大而消失。这与Ibrahim等人结果出现明显差异。Ibrahim等^[24]的实验过程中管道内仅含有1组障碍物，而本文中实验管道内含有3组障碍物。可以认为，此现象是由管道内障碍物数量变化而引起的。

图  5  不同氢气质量分数下压力随时间变化曲线

Figure  5.  Histories of the measured overpressure with different hydrogen fractions of stoichiometric mixtures

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图 6所示为不同工况在不同氢气体积分数条件下的最大超压曲线，从图中可以看出，预混气体最大爆炸超压随着障碍物阻塞率和氢气体积分数的增大而增大。可以将图中最大爆炸超压随体积分数的增长分为2个部分。当混合气体中氢气体积分数φ≤50%时，此时各工况最大爆炸超压随氢气体积分数的增大而缓慢上升。当混合气体中氢气体积分数为零时工况1中的爆炸最大超压为12.55 kPa，而氢气体积分数为50%时达到23.29 kPa，最大超压升高约85.6%;当氢气体积分数为零时，工况2的最大爆炸超压为25.54 kPa，相比于工况1中的最大超压升高103.5%。可以看出，最大爆炸超压受障碍物阻塞率与预混气体中氢气体积分数的共同影响，但此时障碍物阻塞率对最大差压的影响明显占据主要地位。当混合气体中氢气体积分数较大(φ＞50%)时，最大爆炸超压随着氢气体积分数的加而急剧增长，相较于障碍物阻塞率的变化，混合气自身燃烧特性对最大爆炸压力的影响占据主导地位。对于工况3和工况4在障碍物形状不同、阻塞率相同的情况下，当氢气体积分数小于50%时，两者最大爆炸超压基本相同; 当体积分数大于50%时，两者最大爆炸差压出现明显差异，障碍物位于管道中间位置时对最大爆炸超压的影响明显大于两侧时的。

图  6  最大爆炸压力随氢气体积分数变化曲线

Figure  6.  Variation of maximum overpressure with hydrogen fractions of stoichiometric mixtures

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3.   结论

通过自主搭建的小尺寸实验平台研究了障碍物阻塞率及形状对甲烷/氢气爆炸特性的影响主要得到以下结论：

(1) 相同工况下的火焰传播经障碍物作用后会经历相似的变化过程。障碍物阻塞率越大，火焰前锋拉伸越长，火焰加速效应越明显。增大预混气体中氢气积分数能够明显提高火焰不稳定程度。

(2) 预混火焰传播速度随着混合气体中氢气体积分数的增大而上升，而增加障碍物阻塞率能够进一步提高预混火焰传播速度，减少火焰传播至管道出口所需时间。阻塞率一定时，障碍物位于管道中间时的预混火焰传播速度及预混火焰传播速度变化趋势均大于障碍物位于两侧时的情况。

(3) 最大爆炸超压随障碍物阻塞率与混合气体中氢气体积分数的增大而增大，但最大爆炸超压出现时间会随障碍物阻塞率和混合气体中氢气体积分数的增大显著减小，泄爆压力会随着混合气体中氢气体积分数的增大而消失。

(4) 管道内甲烷/氢气爆炸特性可根据氢气体积分数的不同划分为两个部分。当氢气体积分数φ≤50%时，爆炸特性受障碍物的激励作用与混合气体燃烧性质共同影响; 而在氢气体积分数φ＞50%时，爆炸特性主要受到混合气体自身燃烧特性的影响。