转自 x燃爆科研工作室
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节能减排是应对气候变化的全球趋势。氢能作为二十一世纪的完美能源，燃烧时只产生水，近年来因其高热值、无污染、可再生等优点而受到国际关注。甲烷/氢气混合物可以使用现有的天然气管道直接输送到客户的端点，从而实现投资便宜、经济优势立竿直上、低碳排放，这与可再生能源产氢的间歇性特性是相容的。然而，与甲烷相比，氢气具有更快的层流速率、更宽的爆炸极限和更低的最小点火能量。超压和热辐射危险是甲烷/氢气掺混气云爆炸的主要威胁。因此，为了减轻泄漏管道中燃烧爆炸的潜在危害，有必要对甲烷/氢气混合物点燃产生的火球的热降解影响进行理论研究，以减轻泄漏管道中燃烧和爆炸的潜在危害。本研究的目的是了解决定火球热辐射的基本物理参数和基本原理。本文探讨了不同掺氢比例对开放环境下甲烷/氢气掺混气云爆炸火焰发展和热辐射特性的影响。此外，目的是通过结合火焰尺寸的实验测量来完善热辐射的半经验理论模型。这一改进将能够准确预测在不受限制的空间内缓解天然气中掺氢造成的辐射危害所需的安全距离。因此，本研究的目的是更好地理解在开放式环境中改变氢气与甲烷的比例如何影响甲烷/氢气掺混气云爆炸火焰发展和热辐射特性，并根据实验测量的火焰尺寸来调整半经验理论热辐射模型。
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实验系统由2 m×2 m×2 m钢架、高速彩色摄像机、数据采集器、同步触发器、气体浓度检测器、质量流量计和温湿度计组成。热流计与化学点火头处于相同的高度，位于钢架的中心，距地面高度约1 m。三个热流计分别位于距离爆炸中心3.5 m、4 m、4.5 m处。![]()
图 1 实验系统示意图
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表 1 实验设计条件
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3.1 甲烷/氢掺混气云爆炸火焰发展分析
图2 展示出了甲烷/氢气掺混气云爆炸在开放空间中的火焰发展过程。
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图 2 甲烷/氢气掺混气云爆炸的火焰前沿演化
火焰的发展过程可以分为三个主要阶段：初始发展阶段：化学电点火头在气云中心引发火花，可燃气体爆炸，形成球形火焰结构向外传播。火焰核心呈现明亮的白色，中间为黄色，外部为浅蓝色。加速阶段：火焰外沿穿透聚乙烯薄膜，产生橙色和白色火焰。薄膜破裂是由于气体膨胀和薄膜强度不均匀性造成的。由于流体动力学和热质量扩散不稳定性，火焰前表面折叠并加速膨胀，形成不规则形状。衰减阶段：随着可燃气体消耗，火焰颜色变为耀眼的白色，但无法维持球形，火焰经历扭曲和塌陷，最终熄灭。
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图 3 不同掺氢比下火焰半径和峰值火焰速度的比较
随着时间的推移，当掺氢比从20%变化到75%时，可以在2.5 m-3 m的范围内实现最大火焰前沿，如图3（a）所示。与5- 30%的掺氢比范围相比，50%和75%的掺氢比表现出整个火焰产生和湮灭过程的加速完成。图3（b）的观察结果表明，掺氢比的增加导致更大的峰值火焰传播速度，这也发生在更早的阶段。在掺氢比为5- 30%的范围内，火焰传播速度最大值不超过18 m/s，且火焰传播速度的变化率较为平缓。然而，当考虑50%和75%的掺混比时，可以看到火焰传播速度在0.1 s的时间范围内完全实现。在0.085 s的时间内，火焰前沿速度达到最大值26.7 m/s和36.7 m/s。3.2 影响甲烷/氢气掺混气云爆炸火焰不稳定性的机理
图4 展示了不同气体掺氢比对火焰前沿速度的影响。
当掺氢比从5%增加到75%时，火焰前沿的速度呈现出明显的上升趋势。这表明氢气的加入显著提高了甲烷/氢气掺混体云爆炸时的火焰传播速度。这种增加的原因可能与氢气的特性有关。氢气具有较高的燃烧速度和较低的点火能量，因此在混合气体中加入氢气可以提高混合气体的燃烧性能，使得火焰传播更加迅速。此外，氢气的加入也可能影响火焰的稳定性和燃烧效率，从而影响火焰前沿的速度。3.3 甲烷/氢气掺混气云爆炸火焰的自加速指数
火焰自加速指数是指火焰传播过程中，随着火焰面积的增加，火焰传播速度自身加速的程度。图5 展示了掺氢比对火焰自加速指数的影响。
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图 5 掺氢比对火焰自加速指数的影响
随着掺氢比的增加，火焰的自加速指数α也在逐渐增加。当掺氢比分别为5%、10%、20%、30%、50%和75%时，对应的火焰自加速指数α值分别为1.133、1.147、1.167、1.190、1.202和1.286。这表明，在甲烷混合气体中的掺氢比越高，火焰传播的自加速特性越明显，即火焰传播速度的增长速率更快。3.4 热辐射预测模型及安全距离
3.4.1 测得的热辐射危害范围
图6 展示了不同掺氢比下（5%，10%，20%，30%，50%，75%）的热辐射曲线，展示了热辐射随时间的变化情况。
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图 6 不同掺氢比下的热辐射曲线
随着掺氢比的增加，热辐射曲线达到峰值的时间缩短，峰值热辐射值增加。氢气掺混10%时，峰值热辐射值在0.61 s时为83.831 kW/m²（3.5 m）、51.104 kW/m²（4 m）、34.309 kW/m²（4.5 m）。氢气掺混20%时，峰值热辐射值在0.49 s时为99.755 kW/m²（3.5 m）、59.800 kW/m²（4 m）、41.592 kW/m²（4.5 m）。氢气掺混30%时，峰值热辐射值在0.36 s时为113.48 kW/m²（3.5 m）、68.399 kW/m²（4 m）、47.255 kW/m²（4.5 m）。氢气掺混50%时，峰值热辐射值在0.25 s时为125.63 kW/m²（3.5 m）、77.442 kW/m²（4 m）、50.012 kW/m²（4.5 m）。氢气掺混75%时，峰值热辐射值在0.25 s时为134.22 kW/m²（3.5 m）、78.697 kW/m²（4 m）、54.351 kW/m²（4.5 m）。3.4.2 甲烷/氢气掺混气云爆炸火球热辐射预测的修正模型
图7 展示了改进后的火球辐射预测模型与实验结果之间的对比。
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图 7 改进的火球辐射预测模型与实验数据的比较
当掺氢比较低时（如5%和10%），模型预测的热辐射强度与实验数据略有偏差，但随着掺氢比的增加（如20%、30%、50%和75%），模型预测结果与实验数据的吻合度逐渐提高。这表明改进后的模型能够较为准确地预测不同掺氢比下火球爆炸产生的热辐射强度。还可以看出不同距离（如3.5 m、4 m和4.5 m）处的热辐射强度变化情况，以及模型预测值与实验值之间的误差范围。3.4.3 安全距离预测
图8 展示了根据改进的热辐射预测模型确定的安全距离图。这张图是基于实验研究和理论建模来预测在无限制空间（开放空间）中甲烷/氢气掺混气云爆炸时的热辐射安全距离。
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图 8 改进的热辐射预测模型确定的安全距离图
上图为在不同掺氢比下，甲烷/氢气掺混气云爆炸时从爆炸中心到安全区域的热辐射安全距离。当掺氢比分别为75%、50%、30%、20%、10%和5%时，无限制空间燃烧爆炸的安全距离被确定为17.75 m、16 m、16 m、15 m、14.25 m和12.5 m。这意味着随着掺氢比的增加，为了确保安全，需要建立更宽的安全区域。这是因为氢气的增加会导致火焰传播速度加快，热辐射强度增大，从而增加了热辐射危害的风险。
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结论通过改变甲烷/氢气掺混比，研究了当量比为1.1的可燃气云爆炸的火焰发展特性。分析的重点是三个监测位置记录的最高热流密度。在此基础上，考虑火焰增长的特点，建立了火球热辐射危害模型。该模型预测了不同掺氢比例下的热辐射损伤程度。研究结论如下：(1)当量比为1.1时，掺氢比在5%~ 30%之间时火焰增长特性相似，火焰传播速度不超过18 m/s。相比之下，当掺氢比为50%和75%时，火焰前沿速度分别为26.7 m/s和36.7 m/s，这导致更快的火焰传播速度和小于0.1 s的加速过程。因此，30%可以被视为火焰形成特性的关键截止值。
(2)随着掺氢比的增加，热辐射曲线总体呈先升后降的趋势，峰值增大，上升速度加快。火焰形态过程与热辐射曲线的发展趋势基本一致。
(3)正如半经验理论模型的预测，随着掺氢比的增加，必须建立一个更远的安全区。当掺氢比为75%、50%、30%、20%、10%、5%时，非受限区域的安全距离分别应设置为距爆炸中心17.75 m、16 m、16 m、15 m、14.25 m、12.5 m（当量比为1.1）。
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成果简介上述研究成果发表在International Journal of Hydrogen Energy期刊上。Shuhong Li，Zhongmo Xu，Fujing Wang，Zihao Xiu，Zhenyi Liu， Pengliang Li，Mingzhi Li
Flame propagation characteristics and thermal radiation hazards of methane-hydrogen-mixed cloud explosion in unconfined area: Experiment research and theoretical modeling，International Journal of Hydrogen Energy 54 (2024) 1563–1574
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.137
主要作者简介
通讯作者：刘振翼。北京理工大学安全工程系主任，博士生导师，长期从事油气储运与市政燃气相关领域可燃气体燃爆安全研究。中国消防协会灭火救援技术专业委员会委员、北京市消防救援总队火灾调查专家、Journal of Hazardous Materials等安全领域重要国际期刊审稿人。承担国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然基金等国家及企业委托项目50余项，发表学术论文60余篇，授权国家发明专利11件，获省部级科技奖励3项。
第一作者：李舒泓。北京理工大学研究生，主要研究掺氢甲烷燃爆特性。
