Page 11 - 《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

提 取 出 面 积 峰 值 和 峰 值 时 间 两 个 火 焰 特 性 参 50 80 000
Peak time of flame area
数，如图 10 所示。从图 10 中可以看出，氢气体 Flame area peak 75 000
积 分 数 为 3 0 % 和 4 5 % 时 火 焰 面 积 峰 值 均 为 40
2
70 686.00 mm ，而氢气体积分数为 15% 时火焰面 30 70 000
2
积峰值为 60 393.68 mm ，降低了 10 292.32 mm ； Peak time of flame area/ms Flame area peak/mm 2
2
氢 气 体 积 分 数 为 6 0 % 时 火 焰 面 积 峰 值 为 20 65 000
2
66 242.46 mm ，降低了 4 443.54 mm 。且到达面 10 60 000
2
积峰值所需时间随氢气体积分数的升高先减后
0 55 000
增，氢气体积分数为 15% 时到达面积峰值所用 15 30 45 60
时 间 最 长 ， 而 30% 时 火 焰 最 快 达 到 面 积 峰 值 。 Volume fraction of hydrogen/%
这是因为在受限空间中，氢气体积分数对火焰面 图 10 不同氢气体积分数下火焰传播面积特性参数
积峰值及峰值时间的影响主要由燃料与氧气的 Fig. 10 Characteristic parameters of flame propagation area
at different volume fractions of hydrogen
化学计量比、燃烧速率、氧气消耗动态及热力学
反馈共同决定。体积分数为 15% 的贫燃混合气因氢气不足，燃烧速率受限于燃料浓度，氧气消耗缓慢，
导致火焰面积峰值较低且达到峰值时间延迟。当氢气体积分数为 30% 时，最接近化学计量比，燃烧速率
最快，热释放速率最大，火焰传播受湍流增强和压力正反馈的协同作用迅速扩展，火焰面积峰值最大且
达到峰值时间最短，但受空间及视窗大小限制，面积峰值只能达到视窗面积 70 686.00 mm 。在富燃状态
2
下，氧气不足导致部分氢气无法完全燃烧，燃烧速率和热释放量下降，使得氢气体积分数为 45% 时面积
峰值虽也达到视窗面积，但到达面积峰值所需时间长于 30% 时。氢气体积分数升高到 60% 时，因氧气
快速耗尽及压力积聚提前抑制火焰扩展，火焰面积峰值降低，但因初期燃料充足，其面积峰值大于贫燃
状态且峰值时间短于贫燃状态。

2.3 气流速度时空演变过程
为进一步了解三维空间中氢气爆炸时的流场动态特性，提取出了氢气体积分数为 30% 时不同时刻
下 x=0 mm、y=0 mm 及 z=141.47 mm 这 3 个平面上的速度场分布，如图 11 所示。从图 11 中可以看出，点
火开始后，燃料快速燃烧释放能量，导致局部高压气体膨胀，形成初始压力波向外传播，使得速度从零迅
速上升，点火源附近形成高速区域。此时速度分布呈现中心对称性，向外辐射状衰减。3.0 ms 时，气流仍
以点火源为中心向四周传播，容器内的压力呈指数级增长，但气流速度显著降低。6.0 ms 时，气流在壁面
反射的作用下向点火源运动，整体气流速度下降，但局部湍流出现高速区域。随着时间的推移，圆柱形
容器内的三维效应显著，对称平面与轴向平面的速度差异增大。

v/(m·s ) v/(m·s ) v/(m·s ) v/(m·s )
−1
−1
−1
−1
0 6 12 18 24 30 0 3 6 9 12 15 0 3 6 9 12 15 0 4 8 12 16 20
30% z 30% z 30% z 30% z
0.10 ms 3.00 ms 6.00 ms 9.00 ms
x O y x O y x O y x O y

图 11 氢气体积分数为 30% 时容器中的速度场分布
Fig. 11 Velocity field distribution in the vessel when the volume fractions of hydrogen is 30%

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