第5期 汪志雷等:高压氢气泄漏自燃研究进展 2040 3 (a)激波管内传播过程 (b)管内温度分布 图4Rudy模拟结果则 Fig 4 Simulation results of Rudy( o1 外,针对破膜速率、破膜形状奶、喷口形状等粗糙度、连接处缝隙等因素均会影响激波的反射 因素的模拟研究也表明:破膜速率会显著影响激波折射以及激波与边界层的相互作用,因此,管道结 强度及点火延迟时间;破膜形状(平板形与半球形)构对自燃的发生有着至关重要的作用。当管内发 的不同会导致初始点火位置的变化,这与初始阶段生自燃时,若管道长度过短,则火焰来不及发展,在 的激波反射、聚焦以及边界层的影响有关;不同喷离开管口后便会淬灭;若管道长度过长,则自燃火 口形状的硏究显示,相比椭圆形开孔或扩张型开焰最终会由于热量损失,可燃物消耗等因素而熄 口,圆形喷口更容易维持自燃火焰转变为喷射火 灭。即使管內未发生自燃,但在适当条件下当被激 针对自燃机制展开的模拟研究广泛探究了影波加热后的可燃气体到达管口后,仍有可能在喷口 响自燃发生的各种因素,并完整地观测和记录了激马赫盘处自燃,即自燃不仅可能发生于管内,也可 波、射流、火焰的发展变化过程及其微观结构,同时能发生于管口处 针对部分实验中难以控制的变量开展研究,有效补 目前,基于扩散点火理论的相关研究部分解释 充了实验的不足,推动了该领域的进步。 了高压氢气泄漏自燃的发展规律,揭示了高压氢气 3总结与展望 泄漏自燃的一些基础原理。但高压氢气泄漏自燃 是一个影响因素众多,且变化较为剧烈的过程,各 目前的硏究结果表明:在高压氢气从储罐中突种不同环境下多因素的耦合协同对自燃的影响仍 然泄漏至管道的过程中,首先储罐气体的压力从根不确切。目前大多数研究均基于理想条件下的数 本上决定了是否有可能发生自燃,理论预测当压力值模拟或小尺寸实验装置,并且受实验技术的制 低于1.63MPa时,无论外部环境怎样均不可能约,部分关键参数尚无法直接测量,如快速变化的 由激波引发自燃。由于纯氢气更容易发生自燃,若温度及局部瞬时浓度等,这对高压氢气泄漏后运动 向储罐中掺混其他气体,如氮气、一氧化碳、甲烷等过程的深入理解是一主要掣肘,且不同实验结果往 均会提高氢气自燃所需的最小压力。在实验研究往存在显著差异,结果缺乏普适性。对于数值模拟 中,高压氢气突然释放的第一个关键环节即为爆破而言,在高压氢气射流及激波速度达到5马赫(1马 片。爆破片的形状、材质、厚度以及表面有无减弱赫表示1倍音速)甚至更高的情况下,真实气体 槽、减弱槽的深度等因素均会影响薄片的破裂速率效应以及氢气-空气混合气体中的化学非平衡问题 以及破裂后激波的形成过程以及氢气和氧气的混已不能忽略,但这一问题目前在基础研究中尚未完 合,从而影响自燃的发生。当爆破片破裂,射流进全解决,因此现有的数值模拟仍无法替代实验研 入管道后,由于管道的截面形状、截面面积、内表面究,实验与模拟相结合仍将是该领域主要的研究方图 ４ Ｒｕｄｙ 模拟结果［３０］ Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｒｕｄｙ ［３０］ 外，针对破膜速率［３０］ 、破膜形状［３７］ 、喷口形状［３８］ 等 因素的模拟研究也表明：破膜速率会显著影响激波 强度及点火延迟时间；破膜形状（平板形与半球形） 的不同会导致初始点火位置的变化，这与初始阶段 的激波反射、聚焦以及边界层的影响有关；不同喷 口形状的研究显示，相比椭圆形开孔或扩张型开 口，圆形喷口更容易维持自燃火焰转变为喷射火。 针对自燃机制展开的模拟研究广泛探究了影 响自燃发生的各种因素，并完整地观测和记录了激 波、射流、火焰的发展变化过程及其微观结构，同时 针对部分实验中难以控制的变量开展研究，有效补 充了实验的不足，推动了该领域的进步。 ３ 总结与展望 目前的研究结果表明：在高压氢气从储罐中突 然泄漏至管道的过程中，首先储罐气体的压力从根 本上决定了是否有可能发生自燃，理论预测当压力 低于 １􀆰 ６３ ＭＰａ 时［３９］ ，无论外部环境怎样均不可能 由激波引发自燃。 由于纯氢气更容易发生自燃，若 向储罐中掺混其他气体，如氮气、一氧化碳、甲烷等 均会提高氢气自燃所需的最小压力。 在实验研究 中，高压氢气突然释放的第一个关键环节即为爆破 片。 爆破片的形状、材质、厚度以及表面有无减弱 槽、减弱槽的深度等因素均会影响薄片的破裂速率 以及破裂后激波的形成过程以及氢气和氧气的混 合，从而影响自燃的发生。 当爆破片破裂，射流进 入管道后，由于管道的截面形状、截面面积、内表面 粗糙度、连接处缝隙等因素均会影响激波的反射、 折射以及激波与边界层的相互作用，因此，管道结 构对自燃的发生有着至关重要的作用。 当管内发 生自燃时，若管道长度过短，则火焰来不及发展，在 离开管口后便会淬灭；若管道长度过长，则自燃火 焰最终会由于热量损失，可燃物消耗等因素而熄 灭。 即使管内未发生自燃，但在适当条件下当被激 波加热后的可燃气体到达管口后，仍有可能在喷口 马赫盘处自燃，即自燃不仅可能发生于管内，也可 能发生于管口处。 目前，基于扩散点火理论的相关研究部分解释 了高压氢气泄漏自燃的发展规律，揭示了高压氢气 泄漏自燃的一些基础原理。 但高压氢气泄漏自燃 是一个影响因素众多，且变化较为剧烈的过程，各 种不同环境下多因素的耦合协同对自燃的影响仍 不确切。 目前大多数研究均基于理想条件下的数 值模拟或小尺寸实验装置，并且受实验技术的制 约，部分关键参数尚无法直接测量，如快速变化的 温度及局部瞬时浓度等，这对高压氢气泄漏后运动 过程的深入理解是一主要掣肘，且不同实验结果往 往存在显著差异，结果缺乏普适性。 对于数值模拟 而言，在高压氢气射流及激波速度达到 ５ 马赫（１ 马 赫表示 １ 倍音速） ［４０］ 甚至更高的情况下，真实气体 效应以及氢气 空气混合气体中的化学非平衡问题 已不能忽略，但这一问题目前在基础研究中尚未完 全解决，因此现有的数值模拟仍无法替代实验研 究，实验与模拟相结合仍将是该领域主要的研究方 第 ５ 期 汪志雷等：高压氢气泄漏自燃研究进展 ６６１