掺氢甲烷（氢气和甲烷所组成的混合气体）是未来天然气行业发展的重要方向之一，引起了全球学者的关注与重视。目前，荷兰、法国、德国等国家在城市燃气管道方面开展了天然气掺氢相关项目。然而不可避免的是，向甲烷中掺入氢气可能会增加密闭空间内发生爆炸的严重程度。已经有学者在定容燃烧弹中展开了诸多工作，研究掺氢甲烷-空气混合物的火焰前沿结构及其不稳定性、层流燃烧速度和马克斯坦长度^[1–3]。大量的研究表明向甲烷中加入氢气可拓宽可燃极限范围，提高火焰传播速度，并增加压力上升率和爆燃指数^[4-10]。Yu等^[11-12]和Wang等^[13]通过实验研究了掺氢甲烷的掺氢比(χ)、掺氢甲烷当量比($\phi$)和管道尺寸对火焰结构、火焰速度以及内部超压的影响。研究发现，郁金香火焰的形成取决于χ、管道的长宽比和管道的形状；例如，只有在$\phi$=0.8且χ在0%～50%时，才会在实验中观察到郁金香火焰^[11],并且管道越长郁金香火焰越明显^[12]。Zheng等^[14]研究了χ和$\phi$对500 mm长含障碍物的管道中掺氢甲烷-空气混合物火焰传播的影响。结果表明，当掺氢甲烷-空气混合物中的χ<75%时，爆炸超压才会随χ显著增加，并且在相同情况下，火焰速度也呈现出类似的趋势。Lowesmith等^[15]在一个3 m×2.8 m×8.25 m的装置内进行了实验，他们发现将χ增加至50%时，火焰速度和爆炸超压显著增加，此外在受限空间内加入障碍物后，火焰速度和超压也显著增加。

为了降低掺氢甲烷爆炸导致的危害，通常采用泄爆的方式控制受限空间内的爆炸危害。Shirvill等^[16]利用一个3 m×3 m×2 m的试验装置进行了泄爆实验，研究者发现，当甲烷中掺入小于25%的氢气，不会显著增加爆炸的危险性，爆炸超压与单独使用甲烷的情况相近。Yang等^[17]研究了$\phi$对掺氢甲烷-空气混合物泄爆的影响。他们发现当$\phi$在0.6～1.8的范围内时，能够观察到内部超压的亥姆霍兹振荡，在$\phi$ ≥1.0时出现声学振荡；随着$\phi$从0.6增加到1.8，最大内部超压和最大外部超压都是呈先增大后减小的趋势。Duan等^[18]在相同的通风管道中研究了化学计量χ的范围从0～1.0的掺氢甲烷-空气混合物的泄爆。当χ ≤ 20%时能够观察到整个火焰球泡的亥姆霍兹振荡，当χ从0增加到1.0时，最大内部超压和最大外部超压先缓慢增加，然后快速增长。除此之外，研究者还发现χ会影响掺氢甲烷-空气混合物爆轰波胞格尺寸^[19]。此外，研究者发现泄爆和点火位置密切相关。曹勇等^[20]在一个圆柱形容器中对不同点火位置条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究，得出不同点火位置会显著影响火焰面积、火焰传播速率以及容器内部压力曲线。

上述实验证明了泄爆与χ、$\phi$、障碍物分布、容器形状和点火位置密切相关，且爆破压力${p}_{\mathrm{v}}$是一个重要影响因素，但是现有研究主要集中在甲烷-空气^[21]、氢气-空气^[22]、乙烯-空气^[23]等单一气体-空气混合物泄爆方面，然而现有的研究尚无法阐明掺氢甲烷-空气混合物的泄爆过程，因此需要进行更加深入的研究，为以天然气和氢气为基础的设备和工厂的安全设计提供依据。基于不同${p}_{\mathrm{v}}$下的混合气体泄爆研究成果很少，${p}_{\mathrm{v}}$对掺氢甲烷泄爆过程中内部火焰的亥姆霍兹振荡、声学振荡、外部爆炸的形成、内部和外部压力变化及其峰值的影响仍不清楚。为了解决上述问题，本文在一个高1 m且顶部设有泄爆口的管道中进行掺氢甲烷-空气预混气体泄爆实验，研究0～44 kPa的${p}_{{\rm{v}}}$对火焰演化和管道内外压力变化的影响。

1.   实验装置与实验过程

如图1所示，本次实验采用300 mm×300 mm×1000 mm的泄爆管道，管道顶部中央有250 mm×250 mm的正方形开口。在管道的正面设有750 mm×300 mm的窗口，使用高速摄像机(Nac Memrecam HX-3)拍摄火焰图像，拍摄频率为2000 Hz。点火装置位于管道的中心处，点火电极连接15 kV脉冲电源，点火能量约为500 mJ。将3个压阻式压力传感器PS1~PS3分别安装在距离顶部泄爆口875 mm、500 mm和125 mm处，记录内部超压，另一个压力传感器PS4安装在距离管道顶部350 mm处，用以记录外部超压，压力传感器的量程为0～150 kPa。

图  1  实验装置

Figure  1.  Experimental apparatus.

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用厚度($\delta$)为10～72 μm的铝箔封闭泄爆口，并用螺栓将其固定在孔板与管道顶端之间。再根据道尔顿分压定律配置化学计量的掺氢甲烷-空气混合物。氢气与甲烷的体积分数分别为75%和25%。气体配置完毕后静置15 min，最后由同步控制器输出信号，同步触发点火系统、高速相机及压力数据存储记录仪。所有实验均在101 kPa的初始压力和280 K的初始温度下重复2次，结果显示重复性良好。

2.   实验结果与讨论

2.1   破膜压力与厚度的关系

首先通过实验测量不同厚度铝箔的破膜压力（${p}_{\mathrm{v}}$）。具体步骤如下：首先将一定厚度($\delta )$的铝箔密封在泄爆口处，使管道内部形成一个封闭的空间，然后随着气体缓慢注入管道，内部压力会逐渐上升，当内部压力超过铝箔的破裂压力时，铝箔破裂。以开始加压为时间零点，图2为$\delta$=36 μm时静态破膜压力测试的压力-时间变化。密闭管道内部超压在135 s内几乎呈线性增加至约19 kPa，当铝箔破裂后内部超压开始急剧下降。泄爆封口破裂前管道内的压力上升率为8.4 kPa/min，因此根据文献[24]，$\delta$=36 μm时的破膜压力${p}_{\mathrm{v}}$为19 kPa。

图  2  $\delta$=36 μm时静态破膜压力测试的压力-时间变化

Figure  2.  Pressure-time history in the static burst pressure test at $\delta$=36 μm

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如图2所示，当泄爆封口破裂后，内部压力会急剧下降至负压，然后在环境压力附近以70 Hz的频率振荡，实验结果表明振荡频率与$\delta$几乎无关。这种现象的产生是由于泄放时的气流惯性，同时这种惯性还会加强火焰的振荡，具体原因将在下一节中讨论。图3总结了不同厚度铝箔的破膜压力。可以明显看出${p}_{\mathrm{v}}$与$\delta$呈线性增加，在下文中，将取多组实验中${p}_{\mathrm{v}}$的平均值来说明$\delta$对火焰演化和管道内外压力变化的影响。

图  3  ${p}_{\mathrm{v}}$与$\delta$的关系图

Figure  3.  Relationship between ${p}_{\mathrm{v}}$ and$\delta$

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2.2   泄爆过程的火焰演化

图4为${p}_{\mathrm{v}}$=31 kPa时点火后的火焰演化图像。如图4(a)所示，点火后，火球迅速以球形膨胀。在火焰接触到管道壁后，火球被纵向拉伸呈椭圆体。从图4(c)中可以发现，当泄爆封口破裂时，火球还未到达泄爆口。因此，首先被排出管道的是未燃烧的掺氢甲烷-空气混合物，并在管道外形成可燃云，这种现象已经通过纹影和示踪技术得到了证明^[25-27]。在图4(d)～(g)中可以观察到，由于未燃气体的泄放，火焰上锋面向上加速，整个火球也向上运动，当火焰上锋面到达泄爆口时，管道外的可燃气云被点燃，从而产生外部爆炸。通过比较图4(f)和(g)可以发现，在气体泄放的惯性产生负超压及外部爆炸共同作用下，管道内部的火焰锋面突然向下跳跃，随后上下地做活塞式运动。当火焰下锋面接近管道底部时，管道上部和外部的火焰已经基本消失。然而，由于声波-燃烧的耦合作用^[28]，在泄爆的最后阶段，管道底部的燃烧会被增强。通过观测不同${p}_{\mathrm{v}}$条件下的火焰演变，发现只有${p}_{\mathrm{v}}＝$0 kPa和7 kPa时不存在如图4(j)所示的声波强化燃烧现象。

图  4  ${p}_{\mathrm{v}}$＝31 kPa时的火焰图像

Figure  4.  Flame images for ${p}_{\mathrm{v}}$=31 kPa

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通过对连续的火焰图像进行测量，可以得到火焰上、下锋面至电极的距离；将连续图像的火焰锋面之间的距离除以连续图像之间的时间(0.5 ms)，就可以得到火焰速度。以点火时刻为时间零点，图5给出了火焰上、下锋面至电极的距离和火焰速度(其中负值表示火焰锋面向泄爆口相反方向运动)。从图中可以观察到，在泄爆封口破裂前，火焰速度呈振荡趋势进行传播，但是由于浮力作用^[29]，火球的纵向拉伸并不是完全对称；当泄爆口破裂时，可以测得上部和下部火焰前沿分别距离电极270和220 mm。

图  5  ${p}_{\mathrm{v}}$=31 kPa时火焰前沿的位置和速度

Figure  5.  Flame front location and speed for ${p}_{\mathrm{v}}$=31 kPa.

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从图5中可以直观地看出，当泄爆封口破裂后，火焰上锋面向泄爆口加速，而火焰下锋面的速度开始剧烈振荡，振荡幅度逐渐减弱。整个火球到达泄爆口时，火焰下锋面的速度高达90 m/s。当火焰喷出管道时，在内部负压和外部爆炸的共同作用下，火焰下锋面的速度达到−85 m/s。随着泄爆过程的进行，火焰下锋面速度振荡的幅度会逐渐减小。

2.3   破膜压力对压力-时间变化的影响

图6给出了${p}_{\mathrm{v}}$=14 kPa时管道内部压力-时间变化曲线，从图中可以明显看到两个压力峰值(p₁和p₂)以及两种不同类型的振荡(亥姆霍兹振荡和声学振荡)。压力峰值p₁的形成是由于管道内部压力不断增大，泄爆封口破裂所导致的，p₁的幅值随至泄爆口距离的增加而增大。泄爆封口破裂后火焰下峰面开始做活塞式运动，引起内部超压的亥姆霍兹振荡，在振荡的开始阶段，出现第二个压力峰值p₂。从同步的火焰图像中也可以看出，此时火焰下锋面忽然向下运动，压缩了管道底部的气体从而形成压力峰值p₂。图5可以加以佐证，当火焰下锋面的振荡幅度减小，亥姆霍兹振荡的幅度也在不断减弱，这种关联性说明后者会受到前者的影响，火焰下锋面的运动与压缩是p₂出现的关键要素。在泄爆的最后阶段出现了声学振荡，这是由于声波在管道底部的拐角处增强了未燃气体的燃烧，火焰图像如图4(j)所示^[30]。

图  6  ${p}_{\mathrm{v}}$=14 kPa时管道内压力-时间变化曲线

Figure  6.  Pressure-time history inside the duct for ${p}_{\mathrm{v}}$=14 kPa.

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图7为不同${p}_{\mathrm{v}}$对容器内部压力的影响。当${p}_{\mathrm{v}}$≤7 kPa时只能观察到亥姆霍兹振荡，并没有出现声学振荡，当${p}_{\mathrm{v}}$≥12 kPa时亥姆霍兹振荡和声学振荡会同时出现。不同于碳氢燃料-空气混合气体的泄爆^[31]，掺氢甲烷-空气混合气体泄爆产生的亥姆霍兹振荡和声学振荡之间略有重合，两者无明显分界。研究发现，亥姆霍兹振荡频率与管道内混合气体的平均声速成正比^[32]，并且随着${p}_{\mathrm{v}}$的增加，亥姆霍兹振荡频率也在缓慢增加。这是因为随${p}_{\mathrm{v}}$增大，更多掺氢甲烷-空气混合物参与了燃烧反应，从而导致管道内混合气体温度及平均声速升高。此外，图2中气流惯性引起的频率为70 Hz的压力振荡，远低于图7中泄爆过程产生的亥姆霍兹振荡频率。因为后者除气流惯性的作用外，还受到外部爆炸和火焰下锋面振荡的影响。当${p}_{\mathrm{v}}$≥12 kPa时，亥姆霍兹振荡后会出现频率约为1200 Hz的声学振荡，且频率与${p}_{\mathrm{v}}$无关。

图  7  不同破膜压力${p}_{\mathrm{v}}$的压力-时间变化曲线

Figure  7.  Internal pressure–time histories for different ${p}_{\mathrm{v}}$

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图8对比了不同${p}_{\mathrm{v}}$条件下管道内三个测点处的最大超压。可以明显看出管道内不同位置的最大超压变化趋势各异。靠近泄爆口处(PS3)和管道中心(PS2)的最大超压随着${p}_{\mathrm{v}}$线性增加，因为当${p}_{\mathrm{v}}$≥ 12 kPa时，p₁始终是最大压力峰值且随${p}_{\mathrm{v}}$的增加而增大。这与甲烷-空气混合物^[33]和氢气-空气混合物^[22]的压力峰值变化趋势相一致。反观管道底部(PS1)的最大超压随${p}_{\mathrm{v}}$非线性增加，变化过程可以分成3个阶段：当${p}_{\mathrm{v}}$从0增加到18 kPa，最大超压呈上升趋势，p₂为主要压力峰值；当${p}_{\mathrm{v}}$从18 kPa增加到31 kPa时，p₂会随着${p}_{\mathrm{v}}$的进一步增大而减小；当${p}_{\mathrm{v}}$≥31 kPa时，主要压力峰值转变为p₁，并随着${p}_{\mathrm{v}}$线性增加。从图8中可以看出，管道内的最大超压总是出现在管道底部(PS1)，换句话说，管道中的最大超压随着${p}_{\mathrm{v}}$非单调性增加。Bao等^[34]在甲烷浓度为9.5%的甲烷-空气预混气泄爆过程中也发现最大超压随${p}_{\mathrm{v}}$非线性增加；但是不同于本文研究混合气体/空气混合物泄爆，这种单一气体/空气混合物的压力峰值之所以随${p}_{\mathrm{v}}$非线性地变化，是由于声学和火焰之间耦合导致的，而不是因为压力峰值的转变。

图  8  最大内部超压与${p}_{\mathrm{v}}$之间的关系(实心符表示平均值)

Figure  8.  Relationship between the maximum internal overpressure and ${p}_{\mathrm{v}}$ (solid symbols present the mean values)

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2.4   破膜压力对外部爆炸的影响

图9比较了${p}_{\mathrm{v}}$=7 kPa和31 kPa的外部压力变化过程。可以明显分辨出2个压力峰值(${p}_{3}$和${p}_{4}$)，除了在${p}_{\mathrm{v}}$=0的试验中没有发现${p}_{3}$外，在其余的试验中均观察到了${p}_{3}$和相似的外部压力变化过程。研究发现^[26]，${p}_{3}$是泄爆封口破裂产生的弱冲击波传播所致。结合同步火焰图像可以知道，${p}_{4}$总是出现在管道外的火球形成过程中。根据目前的研究^[26]，${p}_{4}$是外部爆炸的结果且始终是最大外部压力峰值。

图  9  不同${p}_{\mathrm{v}}$条件下外部压力-时间变化曲线

Figure  9.  External pressure–time histories for various ${p}_{\mathrm{v}}$

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图10给出了${p}_{4}$（始终为最大外部超压）与${p}_{\mathrm{v}}$之间的关系，实心符号表示平均值。尽管${p}_{4}$的平均值从4 kPa增加至15 kPa，但是从图中可以看出，不同阶段${p}_{2}$的平均值上升的幅度存在差异，当${p}_{\mathrm{v}}$≥28 kPa时，${p}_{4}$的上升幅度明显增加。具体原因如下：${p}_{4}$是由外部爆炸产生的，因此${p}_{4}$的振幅取决于外部爆炸的强度。一般来说，外部爆炸的强度会随着可燃云团的体积、湍流水平以及泄爆时火焰速度的增加而增加。当${p}_{\mathrm{v}}$增加时，从点火到破膜时间变长，泄放至管道外的未燃烧混合气体量更少，但外部可燃云的湍流水平和泄爆时火焰的出口速度会增加。因此外部爆炸的强度取决于上述三种因素之间的相互作用，也就导致了${p}_{4}$的振幅有所变化。

图  10  最大外部超压$p_4$与破膜压力${p}_{\mathrm{v}}$(实心符表示平均值)

Figure  10.  Relationship between the maximum external overpressure $p_4$and film breaking pressuer ${p}_{\mathrm{v}}$ (solid symbols present the mean values)

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当前研究表明外部爆炸会影响内部泄爆，这与前人的研究结果基本一致^[26]。在图11中，管道内部p₂与泄爆口外${p}_{4}$几乎是同时出现的，因为外部爆炸会导致泄爆内外的压力梯度降低^[35-36]。如前文所述，当${p}_{\mathrm{v}}$≤31 kPa时，外部爆炸引起的压力峰值p₂是管道底部的最大超压，并随着外部爆炸的增强而增加。但是如图11(b)所示，在进行${p}_{\mathrm{v}}$较高的实验时，p₂的幅值远小于p₁的幅值，且持续时间变短。也就是说，外部爆炸对内部泄爆的影响会随着${p}_{\mathrm{v}}$的增加而逐渐减弱^[36]。

图  11  外部爆炸对内部泄爆的影响

Figure  11.  Effect of the external explosion on internal explosion venting

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3.   结　论

通过对高1 m管道中的掺氢甲烷-空气混合气体的泄爆过程进行研究，分析了${p}_{\mathrm{v}}$对火焰传播、管道内外压力-时间变化和外部爆炸的影响，得出以下结论：

(1)所有的实验均在泄爆封口破裂后观察到火焰锋面的剧烈振荡现象，该现象伴随着内部超压的亥姆霍兹振荡。当${p}_{\mathrm{v}}$≥12 kPa时，还会出现频率约为1200 Hz的声学振荡。

(2)管道内部分别出现了由于泄爆封口破裂和外部爆炸引起的两个压力峰值。${p}_{\mathrm{v}}$和至泄爆口的距离会对压力峰值有显著影响。对于某一确定的${p}_{\mathrm{v}}$，最大的内部超压随至泄爆口之间距离的增大而增大。靠近泄爆口处和管道中心的最大内部超压几乎随着${p}_{\mathrm{v}}$呈线性增加；但是靠近管道底部的最大压力与${p}_{\mathrm{v}}$呈非线性递增关系。

(3) 外部爆炸的产生是由于未燃混合气体排出，在管道外形成可燃云团，随着火焰的排出，从而形成了外部爆炸。同时外部爆炸会产生一压力峰值，其幅值会随着${p}_{\mathrm{v}}$的增大而增加。在所有试验中，外部爆炸都会影响内部泄爆过程，当${p}_{\mathrm{v}}$≥31kPa时，这种影响会明显减弱。