Page 163 - 《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

利用真空泵对管道进行抽真空处理，并根据道尔顿分压定律制备氢气体积分数为 30% 的氢气-空气
预混气体。泄爆口采用厚 0.025～0.325 mm 的铝膜密封，所有实验均在环境压力和初始温度为 280 K 的
条件下进行，每次实验至少重复 2 次，实验重复性良好。

2 结果与讨论

2.1 破膜压力对管道内火焰传播特性的影响
图 2 给出了破膜压力 p =186 kPa 时高速相机记录的管道内的典型火焰图像，图 3 为点火后火焰前沿
v
位置以及火焰的传播速度与时间的关系，火焰速度由相邻 2 张火焰图像之间的距离和二者之间的时间
差（0.4 ms）计算得到。点火初期，火焰从点火位置以半球状向四周传播，此时火焰向泄爆口的传播速度
为 15～20 m/s，而 Dahoe [18] 在先前类似的实验环境条件下测得体积分数为 30% 的氢气的层流燃烧速度
为 2.25 m/s。通过对比可知，此时火焰速度远高于该实验条件下氢气的层流燃烧速度。根据 Ferrara 等 [19] 、
李艳超等 [20] 的研究，这是由于层流传播的火焰会受到流体力学和热扩散不稳定性的影响，从而促进管道
内氢气的燃烧和能量的释放，最终导致火焰的自加速行为。在管道壁的约束下，火焰沿管道轴向的传播
速度远高于沿管道径向的传播速度，火焰被横向拉长且火焰结构由半球形转变为指形。由于氢气燃烧
释放的热量以及产生的压力波不断作用于前方未燃气体，大大提高了管道内氢气的反应速率，火焰传播
速度迅速提升，在 20.0 ms 时火焰速度已高达 175 m/s。点火后约 26.0 ms，在氢气-空气预混气体燃烧产生
的超压作用下，覆盖在泄爆口的铝膜破裂，泄爆口被打开，然而此时管道内的火焰没有观察到明显的加
速现象；相反，火焰经历一个减速阶段。值得注意的是，铝膜破裂时火焰仍离泄爆口较远，因此部分未燃
烧的氢气-空气预混气体被排出管道，并在管道外形成可燃云 [21-22] 。随着火焰在管道中继续传播，在

5.6 ms

12.8 ms

26.0 ms
Ruptured aluminum film
30.4 ms

34.8 ms

图 2 破膜压力 186 kPa 时管道内的典型火焰图像
Fig. 2 Typical flame images inside the duct at the vent burst pressure of 186 kPa

5 500
Flame location 400
Location of flame front/m 3 2 300 Flame speed/(m⋅s −1 )
Flame speed
4

200

1
Vent failure 100
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Time after ignition/ms
图 3 破膜压力 186 kPa 时火焰前沿位置和火焰传播速度
Fig. 3 Location of flame front and flame speed at the vent burst pressure of 186 kPa

025401-4