Page 4 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 第 9 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 46, No. 9
2026 年 9 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Sept., 2026

DOI：10.11883/bzycj-2025-0140

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 *

楚紫涵，张 云，安文鑫，唐新宇，张 欣，赵 越，谭迎新，曹 雄，尉存娟，曹卫国

（中北大学环境与安全工程学院，山西 太原 030051）

摘要： 氢能作为一种零碳能源，凭借其高能量密度和零碳排放的特性，在国防关键系统中具有广阔的应用前景。
为提高能源的利用效率并保障安全，采用试验与数值模拟相结合的方法，系统研究了受限空间内氢气浓度对爆炸动力
学特性的影响；在圆柱形容器中进行试验，使用压力传感器和高速摄像机记录爆炸过程中的压力变化和火焰传播规
律；同时，结合数值模拟技术，采用包含 19 步反应的氢气/空气详细化学反应机理，准确捕捉了预混气体爆炸过程中气
流速度的时空演化过程。结果表明：最大爆炸压力出现在氢气体积分数为 30% 时，峰值达到 0.623 94 MPa；火焰面积峰
值在氢气体积分数为 30% 和 45% 工况下最大，相比体积分数为 15% 和 60% 时分别提高了 14.6% 和 6.3%，其中，氢气体
积分数为 30% 时，火焰面积在 8.2 ms 时最快达到峰值。此外，在圆柱侧壁与端壁交界区域，由于几何约束导致未燃氢
气积聚，造成局部密度和压力升高，在流场中形成 4 个明显的高速区。在 9 ms 时，流场中心线上的气流速度呈对称分
布，且单侧出现双峰值结构。在氢气体积分数为 45% 工况下，初期气流速度因局部热释放较强而呈现瞬态速度优势；
而氢气体积分数为 30% 时，凭借其持续稳定的燃烧过程，气流在后期实现速度反超，体现出近化学计量比条件下的高
效燃烧稳定性，为高效氢气燃烧系统的设计与性能提升提供了科学依据。
关键词： 受限空间；氢气；燃料浓度；气流速度
中图分类号： O389 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

Influence of fuel concentration on the explosion dynamics characteristics of
hydrogen/air premixed gas in confined spaces

CHU Zihan, ZHANG Yun, AN Wenxin, TANG Xinyu, ZHANG Xin, ZHAO Yue,
TAN Yingxin, CAO Xiong, YU Cunjuan, CAO Weiguo
（School of Environment and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China）

Abstract: Hydrogen energy, as a zero-carbon energy source, holds broad application prospects in critical defense systems
because of its high energy density and zero carbon emissions. To enhance energy utilization efficiency and ensure operational
safety, an integrated approach combining experimental and numerical simulations was adopted to systematically examine the
effects of hydrogen concentration on explosion dynamics in a confined space. Experiments were carried out in a cylindrical
chamber equipped with high-frequency pressure sensors and a high-speed camera to record transient overpressure and track
flame propagation behavior. Complementing the experimental setup, computational fluid dynamics simulations were
implemented using a detailed 19-step hydrogen/air chemical reaction mechanism to accurately reproduce the spatiotemporal
evolution of flow field velocity during the premixed gas explosion process. Results indicate that the maximum explosion
pressure occurred at a hydrogen volume fraction of 30%, peaking at 0.623 94 MPa. The peak flame area was largest at both

* 收稿日期： 2025-05-14；修回日期： 2025-09-01
基金项目： 国家自然科学基金（12202409）；山西省基础研究重大项目（202403021223003）；山西省高等学校青年学术带头
人项目（2024Q024）
第一作者： 楚紫涵（2002－ ），女，博士研究生，B202514003@st.nuc.edu.cn
通信作者： 张 云（1986－ ），女，博士，副教授，zhangyun@nuc.edu.cn

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