高建豐1,3 楊雨琳2 韓亞男1 邵曉軍2 吳陽2

1.浙江海洋大學石油化工與環境學院； 2.浙江海洋大學船舶與海運學院；3.臨港石油天然氣儲運技術國家地方聯合工程研究中心

摘要：為探究摻氫天然氣爆炸特殊機理及規律，預測和控制爆炸后果、減少或避免此類事故可能造成的人員傷亡和財產損失等，基于大渦模擬（LES）進行了數值模擬，研究在管中內置不同高度矩形塊狀障礙物情況下，甲烷-氫氣預混氣體的爆炸特性。結果表明，障礙物后渦流的存在是促進火焰拉伸的主要原因，并且障礙物高度越大，其后方的渦流范圍越明顯。障礙物越高，氣流速度越大，導致內部湍流的增加，促進了反應過程，釋放了更多的能量，從而提高了爆炸超壓。障礙物的干擾也有助于可燃氣體云積聚，產生局部高壓區。

關鍵詞：甲烷氫氣預混氣體；矩形障礙物；超壓；火焰；流場

當輸送摻氫天然氣時，氫氣在管道法蘭、密封螺紋、閥門等處容易擴散滲漏到地下管廊中。由于結構或功能上的需要，地下管廊中往往含有不同類型的障礙物，例如各類斷面突縮結構等。研究表明，這些障礙物對爆燃流場的擾動可能大幅增加火焰傳播速度和超壓上升速率，并且成為誘導爆燃向爆轟演變的關鍵控制因素。相比于純天然氣，混氫天然氣在長距離管道運輸過程中滲漏量偏多。研究表明，含20%氫氣的混氫天然氣在傳輸過程中，氣體的滲漏量是純天然氣的2倍。因此，研究內置障礙物管道中甲烷摻氫預混氣體爆炸特性，可為我國“雙碳”目標下的“西氫東送”建設提供參考。

在氫氣爆炸特性方面，早期已有學者進行了相關研究。倪靖等的研究表明，氫氣的摻入對爆轟波的傳播速度有很大影響，隨著摻氫濃度的提高，傳播速度進一步加快[1]。Wang Y等的研究表明，隨著氫氣含量的增加，火焰傳播速度顯著增加。當氫氣含量為50%時，最大爆炸超壓是純甲烷燃燒壓力的2.25倍[2]。Zhang K等的研究表明，當氫氣濃度上升且甲烷氫氣混合物在遇到點火源后，會在管道外部引發兩次爆炸，從而產生兩個火球，使火焰的傳播速度降低。此外，第二次爆炸的強度和破壞力顯著超過了第一次[3]。

盡管前人已經對各類可燃氣體的爆炸特性進行了大量的研究，但大多數研究都是對于單一可燃氣體，不同濃度可燃氣體、不同著火位置、不同管道形狀以及長徑比的分析，關于內置障礙物對管內甲烷-氫氣預混氣體爆炸特性的影響研究較少。因此，本文在含有障礙物、20%體積分數的氫氣、80%體積分數的甲烷的管道中進行了爆炸實驗，分析障礙物高度對甲烷-氫氣爆炸特性的影響規律，以期為后續研究提供參考。

1  實驗裝置及方法

內置障礙物的甲烷摻氫爆炸實驗裝置由管體、CY400數字壓力傳感器、動態數據采集系統、KTGD-B型可調點火器、甲烷氣瓶、氫氣瓶、流量計和減壓閥等組成。為對比分析障礙物體積在當量比為1時對甲烷-氫氣預混氣體爆炸特性的影響，實驗設計了3個工況，其障礙物高度分別為40 mm、50 mm和60 mm，長均為100 mm，寬均為50 mm。這三種工況下的障礙物均放置在距點火源200 mm處，而壓力傳感器放置在點火點右側30 mm處。預混氣體中氫氣體積分數為20%，甲烷的體積分數為80%。實驗是在長1000 mm，截面面積為100 mm×100 mm的長方形不銹鋼管道中進行的。管道的右端作為泄爆端，不安裝鋼板，在充氣過程中使用聚氯乙烯薄膜密封，以防止氣體逸出。

本實驗主要測量爆炸壓力數據。首先，確保壓力傳感器、數據采集系統、點火系統處于待機狀態。其次，打開氫氣鋼瓶和甲烷氣瓶，并同時啟動循環系統，使氣體在管道中混合均勻。通過流量計控制出氣量，甲烷出氣量為0.6 L/min，氫氣出氣量為0.3 L/min，甲烷出氣時長為88 s，氫氣出氣時長為44 s。充氣和循環結束后，立即啟動點火系統，點火能量為20 J。為了保證實驗壓力數據的有效性，爆炸實驗重復了3組。

2  結果與討論

通過實驗結果和爆炸超壓數值模擬結果的比較（圖 1），模擬測得的峰值超壓比實驗測得高約10%。原因是模擬假設是在半封閉空間內發生絕熱爆炸，沒有考慮爆炸過程中管道內外的能量交換。由于管道頂端的聚氯乙烯薄膜預計會在外壓作用下破裂，因此在計算過程中忽略了聚氯乙烯薄膜對爆炸結果的影響。特別是，實驗數據中捕捉到了火焰沖出聚氯乙烯薄膜時的壓力P1在33.7 ms時達到超壓峰值27.597 kPa，然后開始下降，在36.972 ms時出現負壓峰Pneg。產生負壓是因為火焰沖出管子后，管子內的氣體被迅速消耗。綜上所述，數值模擬結果與實驗結果吻合較好，說明本文所采用的數值模型和算法是合理的。因此，借助該模型，對不同體積障礙物工況下爆炸火焰的傳播機理和超壓進行了研究。

圖 1 實驗超壓與模擬超壓的比較

為了更好地分析不同高度障礙物對管道內火焰、壓力和流場的影響，通過數值模擬得到了不同時刻火焰—超壓—流動區的流線耦合分布。該耦合分布與圖 1壓力曲線相結合，進一步揭示了潛在的關系。在模擬的三種情況下初始火焰均以球形傳播，且垂直方向上面積很小，未接觸上下管壁。當火焰開始出現指形傳播且未接觸障礙物時，障礙物的后方就產生了渦流，但在火焰前沿幾乎不存在，并且障礙物高度越大，其后方的渦流范圍越明顯。當火焰面積開始增加，Rayleigh-Taylor不穩定性和Kelvin-Helmholtz不穩定性變得更加明顯，火焰鋒面變得不穩定并變形，導致湍流增加。當障礙物高度為60 mm時，爆炸峰值壓力為37.352 kPa，遠大于障礙物高度為40 mm和50 mm時的壓力。原因是內部湍流的增加加速了反應過程，釋放了更多的能量，從而增加了超壓。超壓值的增大加速了火焰的傳播（圖 2），當量比為1，障礙物高度為60 mm時，火焰傳播速度明顯比障礙物高度為40 mm、50 mm快。特別是火焰鋒面在23 ms時越過障礙物，并在障礙物的后方和上方均產生了渦流，原因是氣流流動速度的增大促進了高速流動剪切效應的發展，增加了Kelvin-Helmholtz不穩定性和渦量。且由于渦流的存在，使得火焰鋒面與障礙物之間形成不規則空洞。在管道內可燃氣體消耗完畢后，可觀察到有細小的火焰泡在管道中來回擺動，這是由于半封閉管道發生瓦斯爆炸后，氣室開口端出現明顯的空氣回流現象，導致管道內外存在壓力差引起的，這也是實驗壓力在出現負壓后反復震蕩的原因。

圖 2 火焰前沿、壓力和流線的耦合關系 

根據各工況下的壓力隨時間變化規律曲線（圖 3），三條壓力曲線沒有顯示出泄爆壓力，原因可能是管道中的氫氣體積分數較小導致的。爆炸開始時，火焰由于與管道壁面的摩擦，由層流轉變為褶皺層流。隨著反應的進行，化學反應速率和產生的熱量增加，迫使氣體膨脹。聲波振蕩增強了火焰的擾動，褶皺層流火焰轉變為湍流火焰。當火焰進一步傳播時，能量在管道中積累，管道中的火焰由湍流火焰轉變為爆燃火焰，從而最大程度地加速了火焰的傳播過程。障礙物后方的渦旋擴展和消散推動火焰融合，火焰邊界的湍流強度在火焰融合過程中更大，兩者相互促進發展。隨著可燃氣體的消耗，由于火焰與壁面接觸而在壁面附近滅火，火焰面積減小。管道壁面的摩擦阻礙了火焰前沿。因此，火焰傳播減小。在振蕩變化階段，擾動對火焰的影響也越來越大，導致火焰傳播減小。點燃后，預混氣體開始進入較短的燃燒誘導期。爆炸壓力迅速上升，達到最大值后又緩慢下降。由于氫反應釋放能量，爆燃發生區域的溫度升高，導致氣體膨脹。此外，流體動力不穩定和湍流的結合導致火焰不穩定，增加了壓力上升的速度。因為可燃物和助燃物燃燒后產生的熱量通過管壁與外界環境交換，爆炸壓力降低。在反應初期，鏈式反應中產生的羥基自由基（OH）數量較少，整個體系的升壓速率較慢。但隨著鏈式反應的進行，OH含量迅速增加，鏈式反應速率也隨之增加，反應放出的熱量急劇增加，導致溫度升高，進而導致壓力升高。隨著反應進行到后期，氫逐漸被消耗，其濃度達到了不能維持化學反應的程度。火焰與管道壁面之間存在熱傳導現象，反應系統放出的熱量減少。一些自由基也與管道壁發生碰撞，導致鏈式反應速率降低，放熱減少，這反過來又降低了爆炸壓力。障礙物的干擾也有助于可燃氣體云積聚，增加爆炸超壓的峰值。幾種布局結構下壓力曲線整體并沒有明顯的差異性。局部峰值階段壓力曲線開始出現差異性，不同的結構使壓力曲線的斜率和峰值不同，這是因為障礙物高度的變化以及管道壁面的存在，使壓力波在狹長的管道內出現復雜的反射波與衍射波，反射波與衍射波在特定的區域內疊加，產生局部高壓區。結合壓力隨時間變化規律曲線、火焰面積隨時間變化規律曲線（圖 4）可發現，與矩形障礙物接觸后，超壓增長速度明顯加快。該時刻與火焰接觸矩形障礙物后火焰前沿、超壓和火焰面積的突變時間重合。

圖 3 壓力隨時間變化規律曲線

圖 4 火焰面積隨時間變化規律曲線 

3  結論

為應對“西氫東送”過程中摻氫天然氣在管廊中的泄漏爆炸問題，在保證障礙物與點火源之間距離、氫氣體積分數、點火能量相同的前提下，通過改變矩形障礙物高度，研究了三種工況下甲烷-氫氣預混氣體爆炸特性的影響。研究發現，如果摻氫天然氣在管廊中發生爆炸事故，障礙物（管廊中的設備）對火焰形態，流場、超壓、火焰面積均有很大的影響，危險系數將會直線上升。因此，在實際工程中應避免或合理布置障礙物。本文研究的管道屬于常規小尺寸的矩形管道，未來還可以研究變徑管、圓管等實際生產生活中存在的狹長密閉空間，并將研究結果運用到大尺寸實驗中。

參考文獻：

[1]倪靖，潘劍鋒，姜超，等. 摻氫比對甲烷-氧氣爆轟特性的影響[J]. 爆炸與沖擊，2020，40(04)：25-33.

[2]Wang Y,Zhang X,Li Y. Numerical simulation of methane-hydrogen-air premixed combustion in turbulence [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, 48(19): 7122-7133.

[3]Zhang K,Du S,Chen H,Wang J,Zhang J. Effect of hydrogen concentration on the vented explosion of hydrogen–air mixtures in a 5-m-long duct [J]. Process Safety and Environmental Protection, 2022,162：978-986.

作者簡介：高建豐，1966年生，研究生學歷，工學博士，教授，碩士生導師，主要從事油氣儲運安全技術的教學和研究工作。聯系方式：13567693952，gaojf309@126.com。