Page 8 - 《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

y

O z x Cylindrical vessel (−150, 0, 0)
Lateral
view
282.94 mm y
x
z O
Ignition position
(0, 0, 141.47) Front
view
300.00 mm
(0, 0, 282.94)
y
Grid number: 952 644 x z O
图 3 网格划分示意图
Fig. 3 Schematic diagram of meshing

1.3 结果验证

通过网格收敛指数（grid convergence index, 1.0
GCI）对爆炸压力进行网格无关性验证 [48] ，分别 0.9 Simulation results
Experimental results
选 取 254 138、 601 354、 952 644、 1 264 524、 0.8
1 516 340 以及 2 002 752 个单元的网格进行计 0.7
算，发现网格数量为 952 644 时的 GCI 小于 3.0%， Maximum explosion pressure/MPa 0.6
综合考虑计算效率与计算精度，最终选定网格数 0.5
0.4
量为 952 644 的方案。 0.3
将不同燃料浓度下的压力与模拟压力进行 0.2
对比，结果如图 4 所示，图中圆球尺寸代表其最 0 15 30 45 60
大爆炸压力的相对大小。可以看出，压力峰值较 Volume fraction of hydrogen/%
为接近，且其差值随燃料体积分数的增加而减 图 4 数值模拟结果验证
小。这是因为体积分数较大时的氢气燃烧受氧 Fig. 4 Validation of numerical simulation results
气扩散限制，火焰传播过程较慢；而氢气体积分
数较小时，因火焰不稳定性和局部熄火效应导致模拟误差较高。此外，通过模拟得到的火焰传播过程与
高速摄影拍摄到的火焰传播过程具有较高的一致性，因此认为模拟具有准确性 [49] 。

2 结果与讨论

2.1 压力变化特性
为系统评估氢气/空气预混气体在受限空间内的爆炸强度特性，在圆柱形爆炸测试容器中设置了两

个监测点（A1 和 A2）进行瞬态压力采集。当氢气体积分数为 45% 时，监测点 A1 和 A2 测得的压力曲线
如图 5 所示。两监测点所得压力曲线的整体趋势一致，监测点 A1 在 11.14 ms 时监测到压力峰值为
0.577 68 MPa，监测点 A2 在 10.74 ms 时监测到的压力峰值为 0.575 36 MPa。监测点 A1 出现压力峰值的
时间较监测点 A2 滞后 0.4 ms，延迟了 3.72%，而压力峰值比监测点 A2 高 2.32 kPa，两监测点测得的压力
峰值仅相差 0.403%。这说明虽然不同的几何位置导致压力波传播路径、反射叠加模式及热力学效应存
在差异，不同监测点测得的压力特性参数有所不同，但总体差异较小，本文选取监测点 A2 测得的压力特
性参数为代表进行后续研究。
为研究受限空间内氢气浓度对氢气/空气预混气体爆炸特性参数的影响，对氢气体积分数为 15%、
30%、45% 和 60% 的混合气体在圆柱形容器中的爆炸特性进行试验研究。通过试验测量其实际最大爆
炸压力，并通过 Cantera 计算对应的理论最大爆炸压力，如图 6 所示，图中圆球尺寸代表其最大爆炸压力

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