Page 12 - 《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

9.0 ms 时，x=0 mm 平面处的中心线处参数分布曲线、压力等值线、温度云图、氢气质量分数分布及
速度云图如图 12 所示，其中 R 为 x=0 mm 平面处的 y 坐标。根据中心线处温度及氢气质量分数分布曲
线，可以看出在同一位置，温度和氢气质量分数不再变化。结合云图可以看出，温度为 3 000 K 的区域与
氢气质量分数达到最小值的区域基本一致，是由已燃气体组成的高温区域。在此区域外，压力梯度和密
度梯度显著增加，在接近圆柱上、下壁面与侧壁面相接位置时，受容器形状的影响，未燃氢气积聚，密度
升高，压力升高。同时，由于此处压力梯度较大，在速度云图中出现了 4 个高速区域。中心线处的速度
幅值曲线呈对称分布，单侧具有 2 个速度峰值。膨胀波推动气流速度略微上升，压缩波反射与未燃气体
压缩使得气流速度下降，产生第 1 个较小的速度峰值。随后，在火焰前锋阵面附近产生第 2 个较大的速
度峰值。这主要是因为由燃烧产物组成的高压区域与由未燃气体组成的低压区域之间形成陡峭的压力
梯度，推动未燃气体向壁面方向加速流动。当气流逐渐接近壁面时，速度在近壁面区域因黏性耗散迅速
衰减，形成显著的速度梯度。同时，壁面作为刚性边界直接阻断流动，反射压缩波进一步抑制气流运动，
最终在壁面处气流速度降为零。

p/MPa
0.381 66 3 500 5.0 0.025 0.381 700
0.381 64 3 000 4.5 0.020 0.381 685
4.0
0.381 62 2 500 Burned area 3.5 0.381 670
0.381 655
p/MPa 0.381 60 T/K 2 000 3.0 v/(m·s −1 ) 0.015 H 2 mass fraction Center 0.381 640
2.5
0.381 58
0.381 625
line
2.0
0.010
0.381 610
0.381 56
0.381 54 1 500 1.5 0.005 0.381 595
1.0
0.381 580
0.381 52 1 000 0.5 0.381 565
0.381 50 500 0 0 0.381 550
−0.1 0 0.1 Pressure contour z
R/m 2.49 x y
Parameter curve at the center line 0.6 O
1.23
1.86 Local density distribution
Center
line v/(m·s −1 ) H 2 mass fraction T/K
20
18 0.030 3 000
16 0.027 2 765
14 0.024 2 530
0.021
12 2 295
10 0.018 2 060
8 Burned area 0.015 1 825
6 0.012 1 590
4 0.009 1 355
2 0.006 1 120
0 0.003 885
0
650

Velocity contour z H 2 mass fraction z Temperature contour z
x distribution contour x and trace line x
O y O y O y
图 12 氢气体积分数为 30% 时的流场分布
Fig. 12 Flow field distribution when the volume fractions of hydrogen is 30%
图 13 显示了不同氢气体积分数下气流速度云图，可以看出，在氢气体积分数为 15% 时气流速度最
低，其次是 60% 时。这是因为氢气体积分数为 15% 时预混气体处于贫燃状态，氧气过剩，导致单位体积
内反应释热量减少，燃烧温度降低，使得燃烧产物膨胀不足，无法形成强压力波驱动气流加速。而氢气
体积分数为 60% 时预混气体处于富燃状态，虽氧气不足导致燃烧不完全，但燃料总量多，局部剧烈反应
释放的热量仍能驱动瞬时高速流动。此外，由于高燃料浓度增强了点火后局部的热释放与气体膨胀，产
生更强的初始压力波驱动高速流动，使得氢气体积分数为 45% 时在反应初期气流速度高于 30% 时。但
随着燃烧进程的推进，氢气体积分数为 45% 时因氧化剂不足反应速率骤降，膨胀驱动力衰减，压力波强
度减弱。而氢气体积分数为 30% 时接近化学计量比，火焰锋面稳定传播，燃烧反应充分且持续，气流速
度超过 45% 时。

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