Page 63 - 《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

2 结果与讨论

2.1 氨气-氢气-空气预混气体火焰传播特性分析
图 3 为实验过程中高速摄影拍摄的观察窗内 φ=35% 时火焰传播形态图片。定义火焰进入观察窗前
一帧为零时刻。如图 3(a) 所示，t=1.4 ms 时火焰锋面显示为郁金香火焰，表现为双峰凹陷的火焰前锋，实
验表明，郁金香火焰是火焰与流体运动相互作用而产生的流体动力学现象 [34] 。t=3.4 ms 开始，由于爆燃
后管道内部成分变得更复杂，火焰传播时局部反应性增强，化学发光强度提高 [35] ，火焰传播过程中出现
多处明亮的火焰光点，这些火焰光点主要分布在管道中部和底部，随着时间的变化，火焰向左侧通风口
推移，由于黏滞性的存在，这些光点不发生明显的位置变化。t=8.2 ms 时，此时管道左边通风口薄膜已经
破裂，由于管道内部体积有限，产生的压力波作用使管内混合气体向通风口泄放，管口外部火焰呈现喷
射状，因为轻气体混合物和热燃烧产物的浮力作用，导致管道外分为上下 2 个燃烧区域 [36] ，在图 3(d) 中
可以看出。时间推移到 t=9.4 ms 时，如图 3(e) 所示，管外被点燃的可燃气云向四周释放能量，火焰从爆炸
通风口释放，携带未燃烧的混合气体，加速向前方的空气域移动，管内持续的反应使火焰继续从爆炸通
风口释放，随着反应的发生氧气浓度逐渐不足，低供氧量无法匹配火焰后端燃烧区的高需氧量，管外的
火焰能量分配不均匀 [37] ，致使管外燃烧区域出现另一种火焰分层现象。t=10.8 ms 时，由于外部爆炸的发
生，火焰锋面被推向未燃气体，管道内部超压降低 [25] ，同时泄出的气体与环境气体混合，提高了湍流强
度，火焰面由于瑞利泰勒不稳定性变得更粗糙 [38-39] ，内部超压增大，此时后端火焰强度不足，使得火焰云
外边缘首先出现已经完成燃烧的区域，图 3(f) 中表现为火焰边缘暗部。

Vent cover 700 mm Observation window 400 mm
120 mm Tulip flame
Capture pipe section dimensions Explosive venting Point flame
(a) 1.4 ms (b) 3.4 ms
Point flame Upper and lower stratification
Flame front
leaves the observation window
(c) 4.4 ms (d) 8.2 ms
Left and right stratification Burned area

(e) 9.4 ms (f) 10.8 ms
图 3 φ=35% 时管道内外的火焰图像
Fig. 3 Flame images inside and outside the duct at φ=35%

图 4 为实验过程中高速摄影拍摄的观察窗内 φ=45% 时火焰传播形态图片。为了保证实验的可重复
性，基础设置数据与图 3 相同。同样，如图 4(c) 所示，在管内可以观察到明亮的火焰光点，如图 4(d) 所
示，在管外可以观察到火焰分层。从图 4(e)～4(f) 和图 5 可以观察到，管道内出现了火焰逆流现象，此时
火焰边缘由清晰转为模糊。这是因为，火焰泄放至管道外部后，点燃了破膜后泄放至管外的可燃气体
云，使其发生管外的二次爆炸，外部二次爆炸使得泄爆口附近的压力上升，从而降低了泄爆口内外的压
力梯度，进而阻碍管道内部压力的释放，使气体混合物反向流入管内，管道内部的混合气燃烧使得局部
压力暂时超过管口压力 [40] 。随着掺氨量的增加，火焰回流现象出现的时间往后推移。
通过确定实验过程中不同时间下火焰前锋的位置变化，结合高速摄像机运行速度，可以得出如图 6
所示的时间-位移-速度点线图。图 6 为环境室温（298 K）以及大气压（101.325 kPa）条件下，破膜前管道内
部火焰前锋位置和火焰前锋传播速度随时间的变化，位置设定为距离观察窗右端的距离。由图可以看

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