Page 191 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 纪文涛，等： 氢气/钛粉两相体系爆炸强度参数的变化规律 第 8 期

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因为，粉尘浓度为 100 g/m 的钛粉在爆炸过程中氧气充足，少量氢气的加入不仅不会对其氧化反应造成
显 著 影 响 ， 还 会 通 过 自 身 燃 烧 提 供 额 外 的 热 量 ， 进 而 提 升 其 爆 炸 压 力 。 随 着 钛 粉 粉 尘 浓 度 提 升 至
200～700 g/m ，其在爆炸过程中对氧气的需求量显著提升，受氧气浓度的影响也越来越大。此时，钛粉
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在与低浓度氢气混合爆炸过程中占主导地位。低浓度氢气的存在不仅会降低容器内的氧气浓度，还会
优先与氧气反应，消耗部分氧气，这将导致或加剧钛粉爆炸过程中的不完全氧化反应，进而导致钛粉爆
炸压力的降低。

0.9 350
Hydrogen 100 g/m 3 Hydrogen 100 g/m 3
0.8 200 g/m 3 3 3 300 g/m 3 3 3 300 200 g/m 3 3 3 300 g/m 3 3 3
500 g/m
400 g/m
500 g/m
Explosion pressure/MPa 0.6 Rate of explosion pressure rise/(MPa·s −1 ) 200
400 g/m
600 g/m
700 g/m
0.7
600 g/m
700 g/m
250
0.5
150
0.4
0.3
50
0.2 100
0.1 0
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
Hydrogen volume fraction/% Hydrogen volume fraction/%
图 5 氢气/钛粉两相体系爆炸压力变化规律 图 6 氢气/钛粉两相体系爆炸压力上升速率变化规律
Fig. 5 Variation patterns of explosion pressure Fig. 6 Variation patterns of explosion pressure rise rate
in the H 2 /Ti powder two-phase system in the H 2 /Ti two-phase system
当氢气体积分数提升至 5% 后，7 种不同粉尘浓度钛粉的爆炸压力均显著升高，且随氢气体积分数
的增大而升高。这是因为，氢气体积分数高于 5% 时开始具备自主燃烧性能，两相体系爆炸过程将逐渐
由钛粉主导转变为由氢气与钛粉共同主导。虽然氢气体积分数的增大将进一步降低和消耗容器内的氧
气，进而对钛粉氧化反应造成影响。但是，氢气燃烧产生的高温（火焰温度可达 2 045 ℃ [14] ）将可能激发
或促进钛粉与氮气的反应（2Ti+N —2TiN，反应激发温度高于 800 ℃ [30] ），释放出更多的热量，进而导致钛
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粉爆炸压力的提升。当氢气体积分数增大至 29% 时，7 种不同粉尘浓度钛粉的爆炸压力均达到峰值，并
在氢气体积分数为 30% 时出现明显的降低。这是由于，当氢气体积分数超过 29% 时，氢气燃烧强度降
低，其对钛粉与氮气反应的激发作用也将降低，双重作用导致两相体系的爆炸压力降低。
由图 6 可知，在 0%～4% 的氢气体积分数范围内，7 种不同粉尘浓度钛粉的爆炸压力上升速率均随
氢气体积分数的增大而降低。这是因为，体积分数为 0%～4% 的氢气不具备自主燃烧性能，7 种不同粉
尘浓度的钛粉在与其混合爆炸过程中，爆炸压力上升速率主要由钛粉燃烧速率控制，而钛粉燃烧速率主
要受爆炸容器内氧气浓度的影响。低浓度氢气的存在不仅会降低容器内的氧气浓度，还会优先与氧气
发生反应，消耗一部分氧气，导致钛粉燃烧速率降低，进而导致整个体系爆炸压力上升速率的降低。
当氢气体积分数提升至 5% 后，7 种不同粉尘浓度的钛粉的爆炸压力上升速率均显著增大，且随氢
气体积分数的增大而升高。这是因为，当氢气体积分数增大至 5% 后，开始具备自主燃烧性能。此时，两
相体系的爆炸压力上升速率开始由氢气与钛粉共同主导，并随着氢气体积分数的增大，逐渐演变为由氢
气主导。氢气爆炸为均相燃烧过程，其在相同体积分数条件下的燃烧速率远超钛粉。因此，具备自主燃
烧性能的氢气能够显著提升钛粉的爆炸压力上升速率，且氢气体积分数越大，提升效果越好。
进一步分析图 5 和 6，可以获得不同体积分数氢气氛围下，多种不同粉尘浓度钛粉的爆炸压力和爆
炸压力上升速率的最大值，即钛粉在不同体积分数氢气氛围下的最大爆炸压力（p ）与最大爆炸压力上
max
升速率（(dp/dt) max ），结果如表 1 所示。
基于表 1，可以得到以氢气体积分数为自变量的氢气/钛粉两相体系的最大爆炸压力和最大爆炸压
力上升速率的变化规律，如图 7 所示。由图 7(a) 可知，随着氢气体积分数由 0% 增至 30%，氢气/钛粉两

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