高建丰1,3 杨雨琳2 韩亚男1 邵晓军2 吴阳2

1.浙江海洋大学石油化工与环境学院； 2.浙江海洋大学船舶与海运学院；3.临港石油天然气储运技术国家地方联合工程研究中心

摘要：为探究掺氢天然气爆炸特殊机理及规律，预测和控制爆炸后果、减少或避免此类事故可能造成的人员伤亡和财产损失等，基于大涡模拟（LES）进行了数值模拟，研究在管中内置不同高度矩形块状障碍物情况下，甲烷-氢气预混气体的爆炸特性。结果表明，障碍物后涡流的存在是促进火焰拉伸的主要原因，并且障碍物高度越大，其后方的涡流范围越明显。障碍物越高，气流速度越大，导致内部湍流的增加，促进了反应过程，释放了更多的能量，从而提高了爆炸超压。障碍物的干扰也有助于可燃气体云积聚，产生局部高压区。

关键词：甲烷氢气预混气体；矩形障碍物；超压；火焰；流场

当输送掺氢天然气时，氢气在管道法兰、密封螺纹、阀门等处容易扩散渗漏到地下管廊中。由于结构或功能上的需要，地下管廊中往往含有不同类型的障碍物，例如各类断面突缩结构等。研究表明，这些障碍物对爆燃流场的扰动可能大幅增加火焰传播速度和超压上升速率，并且成为诱导爆燃向爆轰演变的关键控制因素。相比于纯天然气，混氢天然气在长距离管道运输过程中渗漏量偏多。研究表明，含20%氢气的混氢天然气在传输过程中，气体的渗漏量是纯天然气的2倍。因此，研究内置障碍物管道中甲烷掺氢预混气体爆炸特性，可为我国“双碳”目标下的“西氢东送”建设提供参考。

在氢气爆炸特性方面，早期已有学者进行了相关研究。倪靖等的研究表明，氢气的掺入对爆轰波的传播速度有很大影响，随着掺氢浓度的提高，传播速度进一步加快[1]。Wang Y等的研究表明，随着氢气含量的增加，火焰传播速度显著增加。当氢气含量为50%时，最大爆炸超压是纯甲烷燃烧压力的2.25倍[2]。Zhang K等的研究表明，当氢气浓度上升且甲烷氢气混合物在遇到点火源后，会在管道外部引发两次爆炸，从而产生两个火球，使火焰的传播速度降低。此外，第二次爆炸的强度和破坏力显著超过了第一次[3]。

尽管前人已经对各类可燃气体的爆炸特性进行了大量的研究，但大多数研究都是对于单一可燃气体，不同浓度可燃气体、不同着火位置、不同管道形状以及长径比的分析，关于内置障碍物对管内甲烷-氢气预混气体爆炸特性的影响研究较少。因此，本文在含有障碍物、20%体积分数的氢气、80%体积分数的甲烷的管道中进行了爆炸实验，分析障碍物高度对甲烷-氢气爆炸特性的影响规律，以期为后续研究提供参考。

1  实验装置及方法

内置障碍物的甲烷掺氢爆炸实验装置由管体、CY400数字压力传感器、动态数据采集系统、KTGD-B型可调点火器、甲烷气瓶、氢气瓶、流量计和减压阀等组成。为对比分析障碍物体积在当量比为1时对甲烷-氢气预混气体爆炸特性的影响，实验设计了3个工况，其障碍物高度分别为40 mm、50 mm和60 mm，长均为100 mm，宽均为50 mm。这三种工况下的障碍物均放置在距点火源200 mm处，而压力传感器放置在点火点右侧30 mm处。预混气体中氢气体积分数为20%，甲烷的体积分数为80%。实验是在长1000 mm，截面面积为100 mm×100 mm的长方形不锈钢管道中进行的。管道的右端作为泄爆端，不安装钢板，在充气过程中使用聚氯乙烯薄膜密封，以防止气体逸出。

本实验主要测量爆炸压力数据。首先，确保压力传感器、数据采集系统、点火系统处于待机状态。其次，打开氢气钢瓶和甲烷气瓶，并同时启动循环系统，使气体在管道中混合均匀。通过流量计控制出气量，甲烷出气量为0.6 L/min，氢气出气量为0.3 L/min，甲烷出气时长为88 s，氢气出气时长为44 s。充气和循环结束后，立即启动点火系统，点火能量为20 J。为了保证实验压力数据的有效性，爆炸实验重复了3组。

2  结果与讨论

通过实验结果和爆炸超压数值模拟结果的比较（图 1），模拟测得的峰值超压比实验测得高约10%。原因是模拟假设是在半封闭空间内发生绝热爆炸，没有考虑爆炸过程中管道内外的能量交换。由于管道顶端的聚氯乙烯薄膜预计会在外压作用下破裂，因此在计算过程中忽略了聚氯乙烯薄膜对爆炸结果的影响。特别是，实验数据中捕捉到了火焰冲出聚氯乙烯薄膜时的压力P1在33.7 ms时达到超压峰值27.597 kPa，然后开始下降，在36.972 ms时出现负压峰Pneg。产生负压是因为火焰冲出管子后，管子内的气体被迅速消耗。综上所述，数值模拟结果与实验结果吻合较好，说明本文所采用的数值模型和算法是合理的。因此，借助该模型，对不同体积障碍物工况下爆炸火焰的传播机理和超压进行了研究。

图 1 实验超压与模拟超压的比较

为了更好地分析不同高度障碍物对管道内火焰、压力和流场的影响，通过数值模拟得到了不同时刻火焰—超压—流动区的流线耦合分布。该耦合分布与图 1压力曲线相结合，进一步揭示了潜在的关系。在模拟的三种情况下初始火焰均以球形传播，且垂直方向上面积很小，未接触上下管壁。当火焰开始出现指形传播且未接触障碍物时，障碍物的后方就产生了涡流，但在火焰前沿几乎不存在，并且障碍物高度越大，其后方的涡流范围越明显。当火焰面积开始增加，Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性变得更加明显，火焰锋面变得不稳定并变形，导致湍流增加。当障碍物高度为60 mm时，爆炸峰值压力为37.352 kPa，远大于障碍物高度为40 mm和50 mm时的压力。原因是内部湍流的增加加速了反应过程，释放了更多的能量，从而增加了超压。超压值的增大加速了火焰的传播（图 2），当量比为1，障碍物高度为60 mm时，火焰传播速度明显比障碍物高度为40 mm、50 mm快。特别是火焰锋面在23 ms时越过障碍物，并在障碍物的后方和上方均产生了涡流，原因是气流流动速度的增大促进了高速流动剪切效应的发展，增加了Kelvin-Helmholtz不稳定性和涡量。且由于涡流的存在，使得火焰锋面与障碍物之间形成不规则空洞。在管道内可燃气体消耗完毕后，可观察到有细小的火焰泡在管道中来回摆动，这是由于半封闭管道发生瓦斯爆炸后，气室开口端出现明显的空气回流现象，导致管道内外存在压力差引起的，这也是实验压力在出现负压后反复震荡的原因。

图 2 火焰前沿、压力和流线的耦合关系 

根据各工况下的压力随时间变化规律曲线（图 3），三条压力曲线没有显示出泄爆压力，原因可能是管道中的氢气体积分数较小导致的。爆炸开始时，火焰由于与管道壁面的摩擦，由层流转变为褶皱层流。随着反应的进行，化学反应速率和产生的热量增加，迫使气体膨胀。声波振荡增强了火焰的扰动，褶皱层流火焰转变为湍流火焰。当火焰进一步传播时，能量在管道中积累，管道中的火焰由湍流火焰转变为爆燃火焰，从而最大程度地加速了火焰的传播过程。障碍物后方的涡旋扩展和消散推动火焰融合，火焰边界的湍流强度在火焰融合过程中更大，两者相互促进发展。随着可燃气体的消耗，由于火焰与壁面接触而在壁面附近灭火，火焰面积减小。管道壁面的摩擦阻碍了火焰前沿。因此，火焰传播减小。在振荡变化阶段，扰动对火焰的影响也越来越大，导致火焰传播减小。点燃后，预混气体开始进入较短的燃烧诱导期。爆炸压力迅速上升，达到最大值后又缓慢下降。由于氢反应释放能量，爆燃发生区域的温度升高，导致气体膨胀。此外，流体动力不稳定和湍流的结合导致火焰不稳定，增加了压力上升的速度。因为可燃物和助燃物燃烧后产生的热量通过管壁与外界环境交换，爆炸压力降低。在反应初期，链式反应中产生的羟基自由基（OH）数量较少，整个体系的升压速率较慢。但随着链式反应的进行，OH含量迅速增加，链式反应速率也随之增加，反应放出的热量急剧增加，导致温度升高，进而导致压力升高。随着反应进行到后期，氢逐渐被消耗，其浓度达到了不能维持化学反应的程度。火焰与管道壁面之间存在热传导现象，反应系统放出的热量减少。一些自由基也与管道壁发生碰撞，导致链式反应速率降低，放热减少，这反过来又降低了爆炸压力。障碍物的干扰也有助于可燃气体云积聚，增加爆炸超压的峰值。几种布局结构下压力曲线整体并没有明显的差异性。局部峰值阶段压力曲线开始出现差异性，不同的结构使压力曲线的斜率和峰值不同，这是因为障碍物高度的变化以及管道壁面的存在，使压力波在狭长的管道内出现复杂的反射波与衍射波，反射波与衍射波在特定的区域内叠加，产生局部高压区。结合压力随时间变化规律曲线、火焰面积随时间变化规律曲线（图 4）可发现，与矩形障碍物接触后，超压增长速度明显加快。该时刻与火焰接触矩形障碍物后火焰前沿、超压和火焰面积的突变时间重合。

图 3 压力随时间变化规律曲线

图 4 火焰面积随时间变化规律曲线 

3  结论

为应对“西氢东送”过程中掺氢天然气在管廊中的泄漏爆炸问题，在保证障碍物与点火源之间距离、氢气体积分数、点火能量相同的前提下，通过改变矩形障碍物高度，研究了三种工况下甲烷-氢气预混气体爆炸特性的影响。研究发现，如果掺氢天然气在管廊中发生爆炸事故，障碍物（管廊中的设备）对火焰形态，流场、超压、火焰面积均有很大的影响，危险系数将会直线上升。因此，在实际工程中应避免或合理布置障碍物。本文研究的管道属于常规小尺寸的矩形管道，未来还可以研究变径管、圆管等实际生产生活中存在的狭长密闭空间，并将研究结果运用到大尺寸实验中。

参考文献：

[1]倪靖，潘剑锋，姜超，等. 掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响[J]. 爆炸与冲击，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.

作者简介：高建丰，1966年生，研究生学历，工学博士，教授，硕士生导师，主要从事油气储运安全技术的教学和研究工作。联系方式：13567693952，gaojf309@126.com。