随着化石能源逐渐减少，全球出现了一系列问题。氢气因热值高、制备方便、燃烧产物无污染等优点受到人们的青睐。然而，氢气的点火能量小，燃烧极限范围宽，一旦存储不当，很容易造成灾难性后果。现有研究多集中于受限空间内的氢气爆炸^[1-7]。近年来，受挪威加氢站氢气泄漏引发的爆炸事故的影响，开放空间的氢安全备受关注。为了降低此类事故的危害，对开放空间中氢气点火爆炸的研究刻不容缓。

对射流气体的点火和火焰变化已有大量研究，并取得了一些成果。Swain等^[8]给出了释放速率为566 L/min时氢气的浓度曲线，发现对于浓度为10%或更高的氢气，一次点火即可成功；如果火焰速度小于射流速度，火焰核心无法形成，点火不能成功。Panda等^[9]在恒定温度和喷射压力下进行了氢气点火实验，结果表明，在相同的流量下，氢气温度越低，最大点火距离越大。Friedrich等^[10]研究了低温氢气燃烧的3种模式，并提出了最大点火距离、最大回燃点与稳态喷射火之间的距离及低温氢气射流中心线浓度计算模型。Kobayashi等^[11]研究了高压氢气泄漏时射流的火焰长度，发现火焰长度与流量的0.5次方成正比，低温时火焰更长。Mogi等^[12]发现火焰形态与初始压力和喷嘴形貌相关，当氢气释放压力低于1.9倍大气压时，火焰抬升。Guo等^[13]通过纹影技术观察了非预混氢气点火后的火焰行为，结果表明，随着点火距离的减小，火焰核心离开点火电极所需的时间减少。闫伟阳等^[14]研究了氢气泄漏发生自燃的现象，确定了管道长度与临界初始释放压力之间的关系。Ahmed等^[15-16]研究了非预混射流甲烷点火的成功条件、初始火焰形态和火焰传播特性。

此外，也有不少对射流气体点火爆炸超压的研究。Grune等^[17]研究了瞬态条件下点火位置和延迟时间对氢气爆炸超压的影响。Royle等^[18]研究了20.5 MPa氢气泄漏爆炸时超压的变化过程，结果表明，超压随喷嘴直径的增大而增大，随点火延迟时间的增加而减小。Grune等^[19]研究了高压状态下有无爆破片的氢气点火行为：有爆破片时，氢气自燃产生2个超压峰值；无爆破片时，射流区的“局部爆炸”诱导压力波。

综上所述，现有研究主要集中在射流火焰和超压的变化，少有对点火爆炸初期火焰形成过程的报道。本文中，研究氢气爆炸之初即射流火焰未形成之前火焰演化特征和超压变化规律，为加氢站等开放空间氢燃爆安全提供关键理论和基础数据。

1.   实　验

1.1   实验装置

实验装置如图1所示。其中，氢气缓冲罐的体积和耐压极限分别为5 L和1.2 MPa。氢气的喷射压力（p₀）分别为0.3、0.5和0.7 MPa。将直径（d）分别为2、3和4 mm的喷嘴安装在氢气缓冲罐水平出口，距离地面124 cm，重要实验参数列于表1，其中：m为流量，$\bar \varphi$为平均体积分数。为了研究点火距离的影响，将点火能量和频率分别为440 mJ和50 Hz的点火电极安装在距喷嘴16、20、30和37 cm处，点火电极中心与喷嘴中心位于同一水平线上。为了便于测量超压，将3个压电式压力传感器（PCB 102B16）沿同一水平面放置，相邻传感器间距为50 cm，传感器所在水平面与射流中心线的垂直距离为43 cm，第1个压力传感器（PT1）位于喷嘴正下方。压力信号由信号转换器转换成电信号，然后传送至示波器。采用高速摄像机拍摄点火过程，拍摄频率为2000 Hz，高速摄像机和示波器同时由TTL（transistor-transistor logic）信号触发。

图  1  实验装置示意图

Figure  1.  Layout of the experimental apparatus

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  氢气点火实验参数

Table  1.  Experimental parameters of hydrogen ignition

工况	d/mm	点火距离/cm	p0/MPa	m/（g·s−1）	最大火焰前锋位移/mm	$\bar \varphi$
1	2	16	0.3	0.78	229.6	0.314
2	2	20	0.3	0.78	199.5	0.254
3	2	30	0.3	0.78	73.5	0.171
4	2	37	0.3	0.78
5	2	16	0.5	1.17	339.5	0.325
6	2	20	0.5	1.17	267.4	0.269
7	2	30	0.5	1.17	147.0	0.188
8	2	37	0.5	1.17	145.6	0.156
9	2	16	0.7	1.56	387.8	0.322
10	2	20	0.7	1.56	338.8	0.282
11	2	30	0.7	1.56	229.6	0.196
12	2	37	0.7	1.56	88.2	0.164
13	3	16	0.5	2.64	350.0	0.449
14	3	20	0.5	2.64	338.1	0.377
15	3	30	0.5	2.64	348.6	0.269
16	3	37	0.5	2.64	264.6	0.224
17	4	16	0.5	4.69	576.5	0.574
18	4	20	0.5	4.69	592.2	0.471
19	4	30	0.5	4.69	321.3	0.342
20	4	37	0.5	4.69	342.3	0.287

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   实验流程

所有实验均在无风条件下开展。首先，释放氢气，当缓冲罐中的压力达到预定值并维持恒定后，点燃氢气，点火期间缓冲罐内压力维持恒定。受爆炸和射流的影响，少量氢气会迅速扩散到下游，火焰颜色很淡，导致火焰边缘模糊。为了准确区分火焰边缘，根据文献[11]的方法对火焰图像进行了处理，如图2所示。在原始图像中，火焰在氢浓度较高的区域呈现亮黄色，随着氢浓度的降低，火焰逐渐变红。为了消除实验背景并较好地提取火焰形状，从原始图像中提取3个原色图像，分别是红色、蓝色和绿色图像。蓝色图像中的低浓度氢气火焰为浅灰色，而红色图像中为亮灰色。经过图像计算，从红色图像中减去蓝色图像，并且增加处理后图像的亮度，从而较好地区分了火焰和背景。选取合适的阈值，将图像二值化获得火焰轮廓，并标定获得火焰前锋的位移和宽度。火焰前锋的位移定义为，在点火爆炸初始阶段，从点火电极中心到火焰下游边缘的水平距离；火焰宽度的定义为，在点火爆炸初始阶段，火焰上、下边缘之间的最大垂直距离。

图  2  氢气火焰图像处理过程（工况18，p₀=0.5 MPa, d=4 mm）

Figure  2.  Image processing of hydrogen flame (case 18, p₀=0.5 MPa, d=4 mm)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   火焰传播行为与关键参数

2.1   火焰传播行为

图3给出了工况18（p₀=0.5 MPa、d=4 mm）的火焰演变过程。点燃射流氢气后，在爆炸初期（0.5 ms时），火焰以扇形发展。随着反应进行，在1 ms时火焰逐渐发展成一个圆球，并诱导爆炸超压。在射流的作用下，膨胀的球形火焰中心偏离电极中心。2 ms时，火焰变得更亮，火焰以超过100 m/s的速度向下游蔓延。同时，火焰逐渐向上游传播，直到火焰到达喷嘴附近。在火焰前锋位移达到最大值之前，由于氢浓度降低和燃烧不完全，火焰前锋的颜色逐渐变红。

图  3  初始阶段火焰演变过程（工况18，p₀=0.5 MPa, d=4 mm）

Figure  3.  Evolutions of the flame at the initial stage (case 18, p₀=0.5 MPa, d=4 mm)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

Birch等^[20-21]和Schefer等^[22]提出了射流中心线气体平均体积分数公式：

式中：k为轴向衰减常数，D_eff为当量直径，x为喷嘴与电极之间距离，x₀为虚拟原点位移, ${\rho}_{{\rm{H}}_2}$和${\rho}_{\rm{a}}$分别为氢气和空气的密度。图4给出了计算获得的氢气射流中心线处的平均体积分数。结合图3~4发现：3 ms时，火焰前锋的$\bar \varphi$为0.193，颜色仍然是亮黄色；然而，4和5 ms时，$\bar \varphi$分别为0.130和0.121，火焰颜色变为浅红色；6 ms时，$\bar \varphi$为0.111，火焰前锋变为暗红色，且位移达到最大，随后位移开始减小，火焰前锋开始熄灭；9 ms时，几乎无法观察到火焰前锋，射流火焰开始形成且颜色明亮。由于剪切层的影响，边界速度低于射流中心速度，使得射流火焰的前端呈三角形。由于射流膨胀作用，射流火焰前端变宽。同时，火焰前端与空气之间的接触面积变大，导致更多空气被卷吸，因此燃烧更加充分。这意味着即使在前端氢气浓度较低时，火焰仍可保持明亮。此外，火焰在所有条件下都不能完全传播到喷嘴处，这主要是由于喷嘴处射流中心流速过高，阻碍了火焰传播，并且该处的氢气浓度超过燃烧上限。

图  4  平均体积分数随距离的变化（工况18，p₀=0.5 MPa, d=4 mm）

Figure  4.  Variation of mean concentration with distance (case 18, p₀=0.5 MPa, d=4 mm)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   火焰前锋位移和宽度

图5显示了火焰前锋位移和火焰宽度。本文中，只研究火焰前锋开始熄灭之前的位移，不涉及射流火焰的长度。图6给出了不同点火距离下火焰前锋位移和火焰宽度随时间的变化曲线。图6(a)～(d)表明，无论出口流量或点火距离如何改变，火焰前锋达到最大位移只需4～6 ms。点火距离相同时，火焰前锋位移随喷射压力或喷嘴直径的增大而增大，喷嘴直径对火焰前锋位移贡献明显大于喷射压力。例如，当喷射压力为0.5 MPa、喷嘴直径为2 mm时，火焰前锋最大位移可达339.5 mm；当喷射压力为0.7 MPa、喷嘴直径为2 mm时，火焰前锋最大位移可达到387.8 mm；对于4 mm的喷嘴直径，喷射压力为0.5 MPa时，火焰前锋最大位移可达到576.5 mm。主要原因是：喷嘴直径增大不仅可释放更多的氢气，还可增大扩散角和射流区域，更多的空气被卷吸到氢气中，导致反应更剧烈。火焰宽度的变化与火焰前锋位移的变化基本相似。喷嘴直径越大，火焰宽度越大。然而，在工况3、7~8中，火焰宽度在前锋位移达到最大值之前就已经达到最大，然后逐渐减小，这主要是由于该工况的氢浓度较低，导致火焰边缘迅速萎缩。

图  5  3 ms时氢气火焰前锋的位移和宽度

Figure  5.  Displacement and width of hydrogen flame front at 3 ms

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  6  火焰前锋位移和宽度随点火距离的变化

Figure  6.  Variations of flame front displacement and width with ignition distance

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   超　压

氢气点火爆炸过程会产生压力波。图7给出了3个压力传感器记录的超压-时间曲线。受射流氢气高度湍流影响^[23-24]，超压曲线出现明显的波动现象。为了更好地辨别超压曲线的变化趋势，采用频率为3000 Hz的低通FFT（fast Fourier transform）滤波来处理超压曲线。由图7可见：当点火电极接近PT1时，PT1处的超压出现得最早；PT2处的超压稍晚于PT1；由于PT3远离点火电极，超压不仅出现得晚，而且小于PT1和PT2处的超压峰值。每个测压点只有1个超压峰值。氢气被点燃后，火焰迅速向外膨胀，超压开始增长。之后，由于火焰过度膨胀，超压缓慢下降，直到达到负压。图7中正压持续时间约为1 ms。根据火焰图像，射流氢气爆炸后剧烈燃烧，导致超压出现波动，但幅度过小，可以忽略不计。

图  7  超压随时间变化趋势（工况17, p₀=0.5 MPa, d=4 mm）

Figure  7.  Evolution of overpressure with time (case 17, p₀=0.5 MPa, d=4 mm)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

定义峰值超压为超压曲线中出现的最大峰值。图8给出了不同氢气流量下点火距离对峰值超压的影响。在流量为4.69 g/s、点火距离为16 cm时，水平方向上距离喷嘴50 cm的压力传感器（PT2）处检测到的峰值超压可高达1.50 kPa。在不同的点火距离下，峰值超压随着流量的增大而增大。在相同的流量下，峰值超压会随着点火距离的增大而减小。对比PT1和PT2的数据发现，随着流量的增加，射流作用对峰值超压的影响变得更加明显，表明在较大流量（4.69 g/s）下，即使点火电极接近PT1，PT2处的峰值超压也会大于PT1处的峰值超压。

图  8  不同流量下峰值超压随点火距离的变化

Figure  8.  Evolution of peak overpressure with ignition distance at different flow rates

下载: 全尺寸图片 幻灯片

受点火距离和氢气流量的影响，本文中各工况最大峰值超压的特征与40 MPa氢气爆炸实验中的超压特征^[25]类似。图9给出了不同点火距离下最大峰值超压（p_max）随流量（m）的变化。可以看出，最大峰值超压与流量成正比。喷嘴和点火电极之间的距离不同，则dp/dm不同。由于点火距离16 cm与点火距离20 cm比较接近，因此两点火距离对应的dp/dm也接近。随着点火距离的增加，dp/dm逐渐减小。当点火距离为37 cm时，dp/dm 仅1.12。这是由于点火电极远离喷嘴，点火处的氢浓度非常低，最大峰值超压随氢气流量的变化较小。

图  9  不同点火距离下最大峰值超压随流量的变化

Figure  9.  Relation between the flow rate and maximum peak overpressure at different ignition distances

下载: 全尺寸图片 幻灯片

Kikukawa等^[25]发现，当喷射压力为40 MPa时，15 m的点火范围内峰值超压与喷嘴到点火电极之间的距离成反比。图10给出了点火距离与最大峰值超压之间的关系。针对本文所有实验工况，最大峰值超压与点火距离的倒数之间存在显著的线性关系。根据表1，大流量工况下，不同点火距离处的浓度差距非常明显，因此最大峰值超压变化也较大，能明显观察到线性关系。此外，针对小流量和远距离点火，最大峰值超压受射流的影响很大，线性关系不如大流量工况好。

图  10  最大峰值超压与点火距离的关系

Figure  10.  Relationship between the maximum peak overpressure and ignition distance

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结　论

通过实验研究了稳态条件下氢气喷射压力、喷嘴直径和点火距离对点火爆炸初期火焰形态和超压的影响，主要结论如下。

(1)爆炸开始时，火焰由扇形发展为球形；初始阶段，火焰前锋以超过100 m/s的速度向下游蔓延，同时火焰向上游传播至喷嘴处；火焰前锋达到最大位移后，由于氢气浓度低和燃烧不完全导致火焰前锋熄灭，之后射流火形成。

(2)随着喷射压力、喷嘴直径和点火距离的改变，火焰前锋位移达到最大值只需4～6 ms。增大喷嘴直径可有效增加氢气扩散角和覆盖区域，因此火焰前锋位移受喷嘴直径的影响更明显。此外，火焰宽度的变化规律与火焰前锋位移基本相似。

(3)超压曲线上只有1个峰值超压，正压维持时间在1 ms左右。在相同点火距离的情况下，峰值超压随出口流量的增大而增大；在相同流量的情况下，峰值超压随点火距离的增大而减小。最大峰值超压与流量成正比，与点火距离成反比。