Page 6 - 《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

用储存的氢气进行地面测试，对氢燃料电池进行性能分析，发现氢燃料电池会使作战无人机系统效率提
升 12%，同时削弱能源使用率对无人机作战能力的约束作用。Coral 等 [26] 以氢气为推进剂的增材制造了
电阻喷射器并对其进行性能测试，发现峰值热效率达 96%，接近理想性能。
为安全提高氢气能量利用率，学者们通过试验或数值模拟的方法，探究了爆炸压力（p） [27-29] 、压力上
升速率 [30-32] 和火焰传播速度 [33-35] 等关键参数对氢气爆炸特性的影响。余明高等 [36] 通过自搭建试验平台
研究了有管条件下障碍物阻塞率对包含氢气在内的爆炸性预混气体爆炸特性的影响，结果表明，预混火
焰传播路径与阻塞率负相关，传播速度与障碍物阻塞率及氢气体积分数正相关。马梦飞等 [37] 对开放空
间中氢气点火爆炸初期的火焰形貌变化过程及爆炸超压时序变化规律进行了研究，当点火距离保持不
变时，氢气流量的提升会使得峰值超压增大；当氢气流量维持恒定时，点火距离的增加会导致峰值超压
逐渐降低。杜塞枫等 [38] 利用自主设计的 5.00 m 长方体管道，研究了破膜压力（p ）对氢气爆炸过程中管
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外火焰传播行为及爆炸超压的影响，管道内部最大超压随着 p 的升高而增大，最大外部超压与 p 呈非正
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相关趋势。Ma 等 [39] 采用 20 L 球形爆炸试验设备研究了惰性气体的掺入对氢气爆炸的影响，发现氢气爆
炸反应速率随着惰性气体浓度的增加而降低，火焰形貌及爆炸超压参数均呈线性下降的规律。Li 等 [40]
研究了不受限条件下球形爆炸室中氢气/空气混合物的爆炸泄放过程，结果表明，最大爆炸压力和最大压
力上升速率在不受限制的泄放条件下显著降低，压力峰值在当量比为 1.5 时出现，后随当量比的增加而
单调减小。Cao 等 [41] 通过模拟和试验，总结了低浓度气体在管道运输过程中泄放的特点，发现爆炸超压
与火焰速度均可分为 3 个阶段，并得到了爆炸泄压装置安装位置的设计基础。
综上所述，氢气作为高能量密度的清洁能源，在国防工业领域具有广泛的应用前景，为安全提高其
在国防工业中的能量输出效率，有必要对其爆炸动力学特性进行系统研究。目前，学者们对氢气爆炸的
研究主要聚焦于降低其爆炸危险性，以实现能量的安全利用，但对其爆炸能量输出特性的研究较少。为
此，本文搭建圆柱形爆炸测试装置，结合数值模拟技术，系统研究燃料浓度对受限空间内氢气爆炸过程
中压力变化特性、火焰传播规律及气流速度时空演变过程的影响，揭示氢气爆炸过程中的流动耦合作用
及其对爆炸动力学特性的影响，以期为提高氢气能量输出效率提供理论基础。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置
采用自搭建的圆柱形爆炸测试平台对受限空间内的氢气爆炸特性进行研究。圆柱形爆炸测试容器
罐体前后开有观察窗，用光学玻璃密封，以便于观察受限空间中氢气爆炸过程。点火位置位于容器几何
中心，点火系统由点火电极及化学点火具组成，通过容器顶盖深入容器内部，化学点火具固定于点火电
极之间，为氢气爆炸提供初始能量。配气系统由高压氢气气瓶、真空泵与控制阀组成，根据道尔顿分压
定律进行配气。罐体设计包括进气孔、用于连接真空泵的抽真空孔以及位于罐体底部的排气孔。数据
采集系统中有 2 个 PCB 压力传感器，用于实时监测压力变化，此外还有高速摄影装置和数据采集设备，
用于记录和处理试验过程中的动态信息。压力传感器型号为 113B26，其测量范围为 0～3.45 MPa，灵敏
度为 1.45 mV/kPa，非线性度≤1%，安装在容器两侧以监测容器内压力，承压面与容器内表面水平。拍摄
−1
频率为 5 000 s 的彩色高速摄影装置用于捕捉氢气在受限空间爆炸过程中火焰的形貌变化过程。图 2
为试验装置示意图。
1.2 模型构建及参数设置
基于 Ansys Fluent 软件构建受限空间内氢气爆炸数学模型，采用有限体积法求解非定常 Navier-Stokes
方程，其质量、动量和能量守恒方程 [42-46] 如下式所示。
质量方程：
∂ρ
+∇·(ρu) = 0 (1)
∂t

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