Page 10 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 楚紫涵，等： 燃料浓度对受限空间内氢气/空气预混气体爆炸特性的影响 第 9 期

未燃气体被进一步压缩，促使火焰加速传播。在火焰稳定阶段，火焰充满视窗，火焰前锋接近容器壁时，
压力波在壁面反射并与入射波叠加，使得容器内压力不断积聚，火焰亮度不断增加。随后，由于受限空
间内反应物含量有限，逐渐进入火焰熄灭阶段。同时，由于能量耗散速率从燃烧爆炸时的快速释放转为

缓慢散热，3 个阶段中火焰熄灭阶段的持续时间最长。

Flame growth stage

2.0 ms 3.0 ms 4.0 ms 5.0 ms 8.4 ms 9.4 ms 10.0 ms
Flame stabilization stage

15.0 ms 20.0 ms 30.0 ms 40.0 ms 50.0 ms 60.0 ms 70.0 ms
Flame extinction stage

100.0 ms 120.0 ms 140.0 ms 180.0 ms 200.0 ms 300.0 ms 400.0 ms

图 8 受限空间内氢气体积分数为 45% 时火焰传播图像
Fig. 8 Flame propagation images in a confined space when the volume fraction of hydrogen is 45%

将试验过程中记录的火焰图像通过 Python
120 000 30% flame 80 000 30% flame area 32 000
进行自编程，在灰度值为 0～255 内对彩色火焰 area 70 000 30% flame area growth rate 28 000
60 000
24 000
图片进行灰度处理，随后对经过灰度处理的图像 100 000 Flame area/mm 2 50 000 20 000 Flame area growth rate/(mm 2 ·s −1 )
16 000
40 000
进行二值化处理，得到的白色像素点的总面积即 80 000 30 000 t=4.8 ms 12 000
8 000
20 000
为火焰面积。氢气体积分数为 30% 时，火焰传 Flame area/mm 2 60 000 10 000 0 2 4 6 8 4 000
0
播面积曲线如图 9 所示。从图 9 中可以观察到， t=30.6 ms t/ms
在点火后的 0～8.2 ms 时间内，火焰迅速向外传 40 000
t=4.8 ms t=161.6 ms
播，其面积呈现出指数型增长的特征，火焰以点 20 000 t=78.8 ms
火源为中心，向周围各个方向扩散，如 4.8 ms 时
的火焰图像所示，火焰前锋阵面近似球形，火焰 0 50 100 150 200 250
t/ms
面积为 29 995.89 mm 。随着反应的进行，燃烧释
2
图 9 氢气体积分数为 30% 时火焰传播面积曲线
放的热量使气体膨胀，产生压力波推动未燃混合
Fig. 9 Flame propagation area curves when the volume
气流动，形成正反馈，进一步加速火焰传播，火焰
fraction of hydrogen is 30%
面积不断增长，在 8.2 ms 时达到所能观察到的火
焰面积最大值。在 8.2～64.0 ms 时，由于受限空间壁面反射的压力波与火焰前锋相互作用增强了湍流，
使火焰前锋褶皱化，有效燃烧面积显著增大，火焰的尺度和亮度均达到最大值，如 30.6 ms 时的火焰图像
2
所示，火焰面积维持在视窗面积 70 686.00 mm 。随后，由于受限空间内氧气含量有限，高温燃烧产物通
过壁面散热或辐射损失能量，使容器内的压力与温度降低，火焰面积也逐渐降低。78.8 ms 时，火焰面积
为 69 414.81 mm ，火焰亮度与面积相较于 30.6 ms 时有所减少；161.6 ms 时，火焰面积为 38 983.88 mm ，
2
2
只有中心区域火焰亮度较高。
为探究浓度对火焰面积的影响，从氢气体积分数为 15%、30%、45% 和 60% 时的火焰面积曲线中

091001-7