Page 60 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 葛 雨，等： 掺氨量对管道氨气-氢气-空气预混气体爆燃特性的影响 第 2 期

by the secondary explosion also increases. The pressure measuring point PS1 is set at 400 mm away from the explosion vent in
the duct to collect data. The pressure curves in the duct under each working condition are presented as a three-peak structure,
named p , p , and p . The three pressure peaks are caused by the rupture of the explosion vent film, the gas venting in the duct,
1 2 3
and the gas reverse generated by the secondary explosion outside the duct. The size of p depends on the tensile strength of the
1
explosion venting membrane, and its amplitude is almost independent of the φ. p and p both increase with the increase of φ,
2
3
and the p increase rate is the largest when φ is in 50%–65%. p changes from a single peak to a fluctuating pressure platform
2
3
in the pressure curve diagram, and the time of the platform extends with the increase of φ. The pressure measurement point PS2
is set at the horizontal central axis, 500mm away from the explosion vent outside the duct, to collect data. And the peak
pressure of the secondary explosion outside the duct (p ) decreases with the increase of the φ, and the time to reach p out
out
increases. This study provides a theoretical basis for the utilization of ammonia and hydrogen energy.
Keywords: explosion venting; dynamic pressure change; overpressure; flame pattern

[1]
发展可再生能源与推动能源系统零碳化，被视为应对全球环境问题和实现碳中和的根本途径 ，在
这一背景下，氢气和氨气作为零碳能源获得了极大的关注，其中氢能作为最受青睐的清洁能源，具有来
源广泛、安全可控、高效灵活和低碳环保等优点 [2-3] 。然而，氢气的低密度、较宽的可燃极限和较高的火
焰传播速度在一定程度上影响了其使用过程中的安全性 [4-5] 。研究人员对氢气与其他含碳化合物燃料的
共燃进行了大量的研究 [6-11] ，发现混合燃料可以满足工业需求，却不可避免地会产生碳排放。工业中氨/
氢混合输运的工况主要集中在合成氨工艺、氨裂解制氢中。另有研究人员对氨能否作为氢能储存运输
的载体进行了探讨 [12-14] ，认为氨是缓解氢储存和运输挑战的潜在候选者。可再生的无碳燃料氨因其能量
密度高、便于工业规模运输等优点而受到越来越多的关注。由于氨的低反应性和极弱的燃烧强度，将其
直接作为燃料使用具有一定难度，学者们通过向其中添加高活性燃料来提高燃烧性能 [15-19] 。由此，氢气
和氨气优势互补，两者结合可以很好地解决现阶段所面临的能源高效利用和环保问题。
通过优化混合物中燃料比例及能量输出特性，可以形成一种有前景的复合燃料系统 [20] ，然而，与纯
氨相比，氨/氢混合物可能会增大安全事故的风险。可燃气体混合物的主要危险来自于燃烧特性和爆炸
压力。迄今为止，气体混合物的燃烧特性受到了研究人员的相当重视。Liang 等 [21] 在掺氨量 0%～100%
（0%、25%、50%、75% 和 100%）范围内开展了测试实验，发现掺氨量 φ≤75% 时管道内火焰形态演化相
似，混合物爆燃超压随掺氨量变化明显。Lhuillier 等 [22] 通过向外传播球形火焰法研究了高温下氨/氢/空
气混合气的层流燃烧速度，发现当氢气含量为 20%～40% 之间时，氢气的添加更好地符合层流燃烧速度
关联式。Zheng 等 [23] 通过实验和数值模拟的方法研究了氨气-氢气-空气混合气在密闭空间内的火焰形
态和燃烧性质，发现随着氨气含量的上升，火焰前锋速度降低。Veiga-López 等 [24] 通过计算发现，在
Chapman-Jouguet 状态下，氮氧化合物的生成量与氨/氢混合物中的氢气比例有关。Wang 等 [25] 通过在体
3
积为 1 m 的容器中开展实验发现，随着氢气浓度的提高，顶端泄爆口外部火焰的长度增大，火焰持续时
间缩短。Shrestha 等 [26] 通过实验发现，氨气-氢气-空气混合气的层流燃烧速度随着初始温度、氧气含量
和氢气含量的提高而升高，随着初始压力的升高而降低。Chen 等 [27] 通过实验发现，随着初始压力的升
高，层流燃烧速度单调降低，火焰厚度单调减小。进一步发展氨/氢燃料不仅需要了解其燃烧特性，还需
要考虑可能存在的爆炸危险性。Su 等 [11] 通过实验发现，在混合气（H /CO/air）中爆炸压力、压力上升速
2
率随着当量比的增大先升高后降低，同时，氢气含量的增大会使爆炸压力上升，火焰速度加快。Yu 等 [15]
通过数值模拟研究了温度和氢气含量对发动机发生爆震时间的影响，结果表明，爆震的时间随着初始温
度的升高或 H 含量的增大而缩短。Wu 等 [17] 对高温高压内燃机环境下混合气火焰的传播过程开展了数
2
值模拟，发现高压环境下温度升高使得火焰传播速度提升了 5 倍，氨/氢燃料预混燃烧模式的实际应用中
当量比在 1.4 以下为宜。Li 等 [28] 借助云爆炸实验平台实验发现，随着氨气含量的增大，绝热火焰温度和
热扩散率的降低有助于降低层流燃烧速度，随着当量比的增大，影响层流燃烧速度的主要因素是化学反

应。Yang 等 [29] 研究了合成气/空气混合气在 2 种管道中的火焰发展，发现随着氢气含量的增大，火焰变

022104-2