Page 54 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 夏远辰，等： 含甲基膦酸二甲酯的细水雾对氢-空气爆炸的影响机制 第 2 期

式中：S 为湍流燃烧速度。其中，燃料的无量纲消耗速率为：
t
1 y
S t
= ω f dV (6)
S l ρ u Y f,u γ
式中：ω 为单位体积的燃料反应速率，ρ 为未燃气体的密度，Y 为未燃气体中燃料的质量分数，γ 为单位
u
f
u
f,
时间燃料的消耗速率。因此，火焰失稳状态下，爆炸压力的积累应当满足：
Å y ã
dp 1
∝ S l ω f dV (7)
dt ρ u Y f,u γ
基于上述分析可知，密闭空间内氢-空气爆炸压力的积累与层流燃烧速度和燃料的无量纲消耗速率
（火焰失稳程度）正相关。一方面，气化的细水雾和 O=P(CH )(OCH ) 的化学抑制作用会降低层流燃烧速
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3
度 S （体现在抑制因子 F ）；另一方面，含 O=P(CH )(OCH ) 的细水雾促使火焰面细胞状结构增多，即增大
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3
l
1
3
褶皱因子 Ξ（体现在增强因子 F ）。因此，当 Φ 较低时，氢-空气火焰自身的不稳定性较强，含 O=P(CH )
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2
(OCH ) 的细水雾促使火焰面细胞状结构增多的空间较小，即褶皱因子 Ξ 增大的程度较小。随着当量比
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增 大 ， 氢 - 空 气 火 焰 的 热 扩 散 不 稳 定 性 逐 渐 减 弱 ， 火 焰 面 逐 渐 趋 于 光 滑 ， 即 褶 皱 因 子 Ξ 减 小 ， 此 时 含
O=P(CH )(OCH ) 的细水雾促使火焰面褶皱增多的空间较大，增强了氢-空气火焰失稳效应。因此，含
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O=P(CH )(OCH ) 的细水雾作用下氢-空气爆炸压力的建立过程应满足：
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3
3
ïÅ y ã ò
dp 1
∝ S l F 1 ω f dV F 2 (8)
dt ρ u Y f,u γ
尽管式 (8) 整合了含 O=P(CH )(OCH ) 的细水雾对氢-空气爆炸压力的影响，但是该式仅适用于受限
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空间内的氢-空气爆炸，且氢-空气的火焰模态为层流小火焰、褶皱火焰、波纹状火焰以及薄反应区模态，
对于湍流强度较大的破碎反应区模态适用性仍需进一步验证。综上所述，含 O=P(CH )(OCH ) 的细水雾
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对爆炸压力的抑制一方面体现在对层流燃烧速度的抑制（抑制因子 F ），另一方面增强了火焰面褶皱程
1
度增大了褶皱因子（增强因子 F ），最终抑制效果为上述 2 种作用的耦合效果。
2
3.3 气相反应动力学机理
氢-空气爆炸过程中产生的主要活性自由基为 H∙、O∙和 OH∙，活性自由基的浓度直接体现了爆炸的
强度。图 10 为含 O=P(CH )(OCH ) 的细水雾与氢-空气混合物燃烧过程中活性自由基浓度的分布。由
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图 10(a) 和 (b) 可知，贫燃（Φ=0.8）和化学计量比（Φ=1.0）条件下，O=P(CH )(OCH ) 参与燃烧反应产生了
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大量的中间体，如 CH O∙、CH ∙、HOPO ∙、PO(OH) ∙、CH PO ∙和 2 HOPO∙等，其中 CH O∙和 CH ∙的摩尔分数
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曲线先于 H∙出现，表明 O=P(CH )(OCH ) 的解离反应先于氢燃烧反应，这些中间体有效稀释了 H∙、O∙和
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OH∙的浓度。此外，在化学角度上，PO(OH) ∙的摩尔浓度峰值出现位置早于 H∙，继而产生的 HOPO ∙、
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HOPO∙、 PO ∙、 CH PO ∙等 中 间 体 进 一 步 削 弱 氢 - 空 气 的 反 应 强 度 。 随 着 当 量 比 的 增 大 ， O=P(CH )
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(OCH ) 对 2 H∙、O∙和 OH∙的抑制能力逐渐降低，H∙的浓度峰值出现位置越来越早，表明反应物的反应活性
3
逐渐增强，进而导致 O=P(CH )(OCH ) 的化学抑制效果降低。
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3 3
为了进一步分析含 O=P(CH )(OCH ) 的细水雾衰减氢爆炸的化学动力学机理，针对含 O=P(CH )
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3 3 3
(OCH ) 的细水雾作用下氢燃烧过程的反应路径进行分析。图 11 给出了 Φ=1.0 条件下的反应路径。图
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中的百分数表示该反应路径消耗的活性自由基占总消耗量的比例。由图 11 可知，HOPO∙、HOPO ∙、HPO ∙、
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PO(OH) ∙和 2 PO(H)(OH)∙是参与氢燃烧过程的主要自由基，换言之，上述自由基是抑制氢燃烧的主要含磷
自由基。其中，HOPO∙通过促进 HOPO+H ⇌ H +PO 反应正向进行捕捉 H∙生成 H ，HPO ∙通过促进 HPO +
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⇌ H +PO 反应正向进行捕捉 H∙生成 H ，PO(H)(OH)∙通过 ⇌ HOPO+H 反应正向进行捕
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H 2 2 PO(H)(OH)+H
捉 H∙生成 H ，PO(OH) ∙通过 PO(OH) +H ⇌ HOPO +H 反应正向进行捕捉 H∙生成 H 。PO(H)(OH)∙通过
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⇌ HOPO+H O 反应正向进行捕捉 OH∙生成 H O，HOPO ∙通过 ⇌ H O+PO 反应
PO(H)(OH)+OH 2 2 2 HOPO +OH 2
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正向进行捕捉 OH∙生成 H O，HPO ∙通过 HPO +OH ⇌ H O+PO 反应正向进行捕捉 OH∙生成 H O，HOPO∙通
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2
2
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过 HOPO+H ⇌ H O+PO 反应正向进行捕捉 OH∙生成 H O，PO(OH) ∙通过 PO(OH) +OH ⇌ HOPO +H O、
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022103-8