Page 161 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 杜赛枫，等： 破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响 第 2 期

vent and then ignited the external combustible cloud. Therefore, the external explosion is triggered. p significantly affects the
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flame evolution outside the duct, but there is no significant difference in the maximum length of the external flame at various
p . A non-monotonic trend between the maximum external overpressure and p was observed.
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Keywords: hydrogen; vent burst pressure; flame propagation; explosion overpressure; external explosion

近年来，氢气作为工业生产活动中的重要原料和燃料而备受关注，并且已进入快速发展期。氢气具
有可燃范围广、点火能量低和燃烧速率快等特点 [1-2] ，在生产、处理、运输、储存和使用过程中容易造成
火灾或爆炸事故，存在严重的爆炸安全问题，一旦发生爆炸事故，往往会造成严重的人员伤亡和财产损失 [3-4] 。
泄爆是用来减轻意外爆炸中设备和人员伤害的经济有效的方法，它可以通过预设的薄弱环节，快速释放
爆炸产生的超压，从而最大限度地降低可燃气体的意外爆炸危害 [5-6] 。泄爆的关键是通过设置恰当的泄
爆参数来实现快速有效地降压，并避免泄爆导致的二次灾害。
破膜压力是影响可燃气体泄爆特性的重要参数之一。Chow 等 [7] 比较了在 1.4 和 11.8 kPa 两种破膜
压力下甲烷爆炸的压力-时间曲线，实验结果表明，两者的主要区别在于第一个压力峰值的大小，而随后
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两者的压力-时间曲线几乎一致。Kasmani 等 [8] 在 0.2 m 的圆柱形容器中使用 4% 的丙烷和 9.5% 的
甲烷/空气混合物进行了中心点火和尾端点火泄爆实验，发现最大超压并不总是随着破膜压力的升高而
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增大。Bao 等 [9] 在 12 m 的燃烧室中进行了甲烷-空气预混气体泄爆实验，发现内部的压力-时间历程始
终以泄爆膜破裂产生或以声波与火焰耦合作用下产生为主，且前者随破膜压力的升高而升高，而后者则
先升高后降低。文虎等 [10] 基于 FLACS 数值模拟软件研究了泄爆口强度对管道内天然气爆炸流场的影
响，发现泄爆口强度显著影响管道内爆炸超压和火焰传播速度，但管内温度几乎与泄爆口强度无关。
Dou 等 [11] 在水平放置的 1 m 管道中进行了沼气泄爆实验，重点研究了破膜压力对内部超压的影响，发现
在超压曲线中存在 3 个可能的压力峰值（p 、p 、p ），分别对应于泄爆膜破裂、最大火焰面积和外部爆
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炸压力，p 总是最小且与破膜压力无关。Rui 等 [12] 通过 FLACS 数值模拟软件与实验相结合的方法研究
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了低破膜压力条件对甲烷-空气预混气体爆燃的影响，结果表明，数值模拟结果与实验结果较吻合。
除上述破膜压力对碳氢燃料的泄爆特性研究外，学者们还对反应性更强的氢气-空气混合物进行了
大量的实验研究。Cao 等 [13] 利用一个圆柱形容器研究了点火位置和破膜压力对外部爆炸的影响，实验
结果表明，外部超压与破膜压力和点火位置有关。尾端点火时的外部超压受破膜压力影响较小，但在中
心点火和前点火时，外部超压随破膜压力的升高而升高。Rui 等 [14] 采用一个 1 m 的爆炸舱来研究体积
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分数为 30% 的氢气爆炸的泄爆特性，结果表明，亥姆霍兹震荡的幅度随破膜压力的升高而增大，而亥姆

霍兹震荡的持续时间随破膜压力的升高而缩短。Zhang 等 [15] 在水平放置的 3 m 阻塞管道中进行了氢气
泄爆实验，管道阻塞率为 46.2%，实验观察到最大内外超压随破膜压力的升高而非单调增大。
文献综述表明，以往的研究大多集中于甲烷、丙烷等燃烧速率较低的碳氢化合物泄爆实验，而由于
受到设备、安全和成本等因素的影响，有限的氢气-空气泄爆实验通常是在小长径比管道或球形容器中
进行，这可能与真实的氢气泄漏燃爆事故在尺度上存在差异，例如氢气管道运输燃爆事故。小长径比容
器研究结论不能直接运用于开发大长径比的容器爆炸防护措施。例如，在长径比小的泄爆容器中，各处
的爆炸压力基本一致；而本文中采用的大长径比管道中，爆炸压力随位置发生变化。国际上广泛使用的
EN 14994 [16] 和 NFPA 68 [17] 标准都涉及到大长径比装置的泄爆问题，且给出了爆炸压力的计算方法，然而
其适用的条件是可燃物的燃烧速度小于 0.46 m/s。此外，在先前的研究中主要针对的是破膜压力对管道
内外超压的影响，而针对不同破膜压力下大长径比管道内外火焰行为差异的研究却很少涉及。因此，了
解破膜压力对大长径比容器中氢气的燃爆特性的影响，对该类设备或结构以及泄爆口设计尤为重要。
由于接近化学计量比的氢气-空气混合物反应性更强，火焰传播速度更快，爆炸压力上升速率更高，因此
本文中利用自主设计的长径比为 16.7 的矩形管道，对氢气体积分数为 30 % 的氢气-空气预混气体进行不
同破膜压力下的燃爆实验，以期阐明不同破膜压力下管道内外氢气-空气预混气体火焰传播行为的差异，
以及破膜压力对管道内外爆炸超压的影响。

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