点火位置对氢气-空气预混气体泄爆过程的影响 effect of ignition locations on vented explosion of premixed hydrogen-air mixtures.pdfVIP

第36卷第6期 爆炸与冲击 V01．36，No．6 2016年11月 EXPLOSl0NANDSHOCKWAVES NOV．，2016 点火位置对氢气一空气预混气体泄爆过程的影响‘ 曹 勇，郭 进，胡坤伦，邵 珂，杨 帆 (安徽理工大学，安徽淮南232001) 摘要：利用高速纹影和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气一空气预混气的泄爆特 性进行研究。研究结果表明：在所有情况下，中心点火时火焰传播速率和面积最大，产生了最大的内部压力峰 值，尾端点火时火焰传播速率和面积次之，产生的内部压力峰值也次之；前端点火时火焰传播速率和面积均最 小，产生了最小的内部压力峰值。前端点火时，容器内部压力出现了3个明显的压力峰值，中心和尾端点火 时，只能观察到第1个和第3个压力峰值。并且，随着破膜压力的增加，中心和尾端点火时，火焰面积均增大， 产生的内部压力峰值均增大。在前端点火的条件下出现了声学振荡的现象，对内部压力产生了显著的影响。 关键词：爆炸力学；泄爆；破膜压力；点火位置；氢气 中图分类号：0382．1 国标学科代码：1303520文献标志码：A 氢气作为一种清洁能源，能够很好地解决当今社会出现的温室效应、燃烧气体污染和对化石燃料依 赖等问题。然而，由于氢气具有爆炸极限范围宽、最小点燃能量低等特点，导致氢气能源在使用过程中 存在着突出的爆炸安全问题。泄爆是指当容器内的爆炸压力超过某个设定压力时，预设的薄弱面首先 破裂，高压气体迅速泄放，以减轻爆炸造成的灾害和损失。因此，对于氢气工作系统进行正确的泄爆安 全设计，能够有效地提高氢气能源的安全性。对碳氢燃料的泄爆研究已经有很多[1。5]，对碳氢燃料泄爆 EN A68 的现象和机理的研究已经足够深入，并且有了一系列的标准(如BS 14491[6]和NFPL71等)。然 而，与碳氢燃料相比，氢气具有更高的燃烧速率，使氢气泄爆的过程能够在更短的时间内完成，产生的现 象也更加复杂，人们对氢气泄爆的实验现象和规律还不够清楚。B．Ponizy等[81使用以往的压力预测模 型，对氢气泄爆实验得到的预测结果与实际情况进行对比，发现二者存在明显的差异，这也表明氢气泄 爆的预测并不完全适用于已有标准。因此，进一步研究氢气一空气泄爆实验，对氢气混合物意外爆炸时 产生的超压进行准确地预测从而进行保护，是十分必要的。 在氢气泄爆过程中，容器的体积、燃料的浓度和破膜压力这些参数都可以进行预设，达到建立预测 模型的目的。而发生氢气爆炸时，具体的点火位置难以确定，所以我们对点火位置的影响进行了重点研 究。V．Molkov等‘93研究了氢气一空气在大尺寸容器的泄爆实验，考虑了不同点火位置作用，建立了多 种参数的超压预测公式；A．J．Harrion等口叩的实验结果表明，较小的泄放面积情况下，氢气一空气泄爆会 引发外部爆炸现象，这时点火位置对容器内部压力峰值的大小有显著的影响，尾端点火导致了最强的外 中心点火和前端点火分别产生了最大和最小的内部压力峰值；而K．Kumar[12]对不同浓度的氢气一空气 混合气进行的大尺寸的泄爆实验中，却得出了前端和尾端点火产生了相近的内部压力峰值的结论。上 述实验都只考虑了不同燃料浓度和不同泄放面积，却都没有涉及不同破膜压力时点火位置对于内部超 压的影响；并且都仅仅分析了压力的数据，而没有对容器内部实际燃烧情况进行观察。 本文中，在不同破膜压力下，运用高速纹影系统记录容器内部火焰的发展动态，并通过纹影图片计 算火焰传播速率，结合压力曲线和峰值的分析进一步研究不同点火位置对容器内部超压的影响。这对 于建立准确的爆炸压力预测公式，正确地进行泄爆减压设计，从而减轻氢气意外爆炸带来的危害，有着 重要的意义。 *收稿日期：2015—03—19；修回日期：2015—06—10 第一作者：曹 勇(1991一)，男，硕士研究生；通信作者：胡坤伦，klhu999@sina．com。 万方数据 848 爆 炸 与 冲 击