第41卷第5期 南京工业大学学报(自然科学版) Vol. 41 No. 5 20194F9 JOURNAL OF NANJING TECH UNIVERSITY(Natural Science Edition)Sep2019 i:10.3969/jisn.1671-7627.2019.05.018 高压氢气泄漏自燃研究进展 汪志雷,潘旭海!,蒋军成1,2 (1南京工业大学安全科学与工程学院,江苏南京211800 2常州大学环境与安全工程学院,江苏常州213164) 摘要:针对基于扩散点火理论的高压氫气泄漏自燃研究进展进行总结,对自燃机制、主要影响因素及变化规律 进行阐述。介紹相美实验研究的发展变化过程,阐述该领域从定性研究到定量研究的过程中各阶段主要研究成果 对于研究的推动作用,对于泄放压力、破膜条件、管道尺寸等主要影响因素的研究内容进行详细的对比分析。最后 讨论现阶段存在的问題并展望了今后的发展趋势 关键词:氩气泄漏;氩气自燃;扩散点火;激波;氫安全;喷射火 中图分类号:X93 文章编号:1671-7627(2019)05-0656-08 Research challenges in high-pressure hydrogen spontaneous ignition WANG Zhilei, PAN Xuhai, JIANG Juncheng (1. College of Safety Science and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China; 2. School of Environment and Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China) Abstract: Based on diffusion ignition theory, the research progress and current status of high-pressure hydrogen spontaneous ignition were summarized, the postulate mechanisms of s on were explained and the main influencing factors of spontaneous ignition induced by shock were introduced. The development process of relevant experimental study and the promotion of the main research results from qualitative research to quantitative research in this field were introduced. The content of the research on the main influe factors, such as venting pressure, membrane breaking conditions, and tube size was analyzed, and the problems existing at the current stage and the future development trends were Key words: hydrogen leakage; hydrogen self-ignition; diffusion ignition; shock wave; hydrogen safety; 随着我国石化燃料使用量不断增加,环境污染此,无论从保护生态环境还是保障能源安全的角 问题日益严重;与此同时我国石油自给率也逐年下度,我国都急需大力开发清洁环保的新能源。氢气 降,截止2018年我国石油自给率已不足30%。因作为一种能量载体,以其高热值、零污染、易获取的 收稿日期:2019-07-02 基金项目:国家重点研发计划(2016YFC0800100,2017YFC0804700);国家自然科学基金重点项目(51834007);江苏省研究生科研创新计划 作者简介:汪志雷(1991—),男, E-mail: wangzu@nth,cdc;潘旭海(联系人),教授,E-mail: xuhaipan@njeh.cdhu;蒋军成(联系人),教授, E-mail: jcjiang@ njtecheducn. 引用本文:汪志雷潘旭海,蒋军成高压氢气泄漏自燃研究进展[J]南京工业大学学报(自然科学版),2019,41(5):656-663
第 ４１ 卷第 ５ 期 ２０１９ 年 ９ 月 南 京 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＮＪＩＮＧ ＴＥＣＨ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏｌ． ４１ Ｎｏ． ５ Ｓｅｐ． ２０１９ ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７６２７．２０１９．０５．０１８ 高压氢气泄漏自燃研究进展 汪志雷１ ，潘旭海１ ，蒋军成１，２ （１．南京工业大学 安全科学与工程学院，江苏 南京 ２１１８００； ２．常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 ２１３１６４） 收稿日期：２０１９－０７－０２ 基金项目：国家重点研发计划（ ２０１６ＹＦＣ０８００１００，２０１７ＹＦＣ０８０４７００）；国家自然科学基金重点项目（ ５１８３４００７）；江苏省研究生科研创新计划 （ＫＹＣＸ１８＿１０５０） 作者简介：汪志雷（１９９１—），男，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｌ＠ ｎｊｔｅｃｈ． ｅｄｕ． ｃｎ；潘旭海（联系人），教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｕｈａｉｐａｎ＠ ｎｊｔｅｃｈ． ｅｄｕ；蒋军成（联系人），教授， Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｃｊｉａｎｇ＠ ｎｊｔｅｃｈ．ｅｄｕ．ｃｎ． 引用本文：汪志雷，潘旭海，蒋军成．高压氢气泄漏自燃研究进展［Ｊ］．南京工业大学学报（自然科学版），２０１９，４１（５）：６５６－６６３． 摘 要： 针对基于扩散点火理论的高压氢气泄漏自燃研究进展进行总结，对自燃机制、主要影响因素及变化规律 进行阐述。 介绍相关实验研究的发展变化过程，阐述该领域从定性研究到定量研究的过程中各阶段主要研究成果 对于研究的推动作用，对于泄放压力、破膜条件、管道尺寸等主要影响因素的研究内容进行详细的对比分析。 最后 讨论现阶段存在的问题并展望了今后的发展趋势。 关键词： 氢气泄漏；氢气自燃；扩散点火；激波；氢安全；喷射火 中图分类号：Ｘ９３ 文章编号： １６７１－７６２７（２０１９）０５－０６５６－０８ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｚｈｉｌｅｉ １ ， ＰＡＮ Ｘｕｈａｉ １ ， ＪＩＡＮＧ Ｊｕｎｃｈｅｎｇ １，２ （１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８００， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３１６４， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｐｏｓｔｕｌａｔｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｈｏｃｋ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｖｅｎｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ａｎｄ ｔｕｂｅ ｓｉｚｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｌｅａｋａｇｅ； ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｅｌｆ⁃ｉｇｎｉｔｉｏｎ； ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｉｇｎｉｔｉｏｎ； ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ； ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓａｆｅｔｙ； ｊｅｔ ｆｉｒｅ 随着我国石化燃料使用量不断增加，环境污染 问题日益严重；与此同时我国石油自给率也逐年下 降，截止 ２０１８ 年我国石油自给率已不足 ３０％。 因 此，无论从保护生态环境还是保障能源安全的角 度，我国都急需大力开发清洁环保的新能源。 氢气 作为一种能量载体，以其高热值、零污染、易获取的
第5期 汪志雷等:高压氢气泄漏自燃研究进展 优点一直以来备受青睐,是一种极具潜力的下一代的研究。基于扩散点火理论的相关研究,本文将从 战略能源。然而,氢气在具备上述优点的同时,也实验和模拟研究两个方面进行总结。 具有易泄漏、扩散快、点火能极低(0.0179mJ)、爆 炸极限宽(4%~75.6%)的危险特性。正因此类危2基于扩散点火理论的研究 险特性,氢气的存储安全问题目前已成为制约其大2.1实验研究 规模使用的主要因素之一,而相关安全技术仍需要 针对氢气自燃现象, Wolanski等最早在1972 进一步的深入研究,方能为氢能产业的健康快速发年使用激波管实验时发现当高压氢气冲破膜片进 展提供可靠的保障。 入氧气中时,氢氧混合物在总体温度远低于最小燃 目前高压存储是使用最广泛的储氢方式,烧温度的情况下依然发生了点火。研究指出,在高 其中已量产的丰田氢能源汽车Mrai所使用的氢气压氢气冲破膜片进入氧气的过程中,氢气射流前沿 储罐的储存压力可达70MPa。但是,高压储存的氢的部分氢气通过扩散和对流与混合区之间的空气 气一旦意外泄漏,极易引发燃烧或爆炸事故,进而混合形成了可燃混合气体。由于高压氢气释放时 造成严重的人员伤亡和财产损失。据统计,在高压产生的激波加热了激波后方的气体,会导致前导激 氢气泄漏后引发燃烧和爆炸的事故中,有近60%的波后方混合区内氢气-空气混合气体温度急剧升高 事故灾害无法确定外界点火源。而文献[8]研究并最终自燃。随着21世纪氢能逐渐受到重视,相关 表明,高压氢气在突然泄放时可能发生自燃,这种研究也开始涌现。2007年美国普林斯顿大学 dryer 特殊性质也成为目前高压储氢的一个重要安全等{首次建立了储罐与半封闭管道结合的实验装 隐患。 置,以研究高压氢气通过管道瞬间释放到大气中发 为保障氢气的安全使用,完整地掌握高压氢气生自燃的现象,研究发现影响自燃的因素包括释放 泄漏自燃过程中的影响因素及其变化规律是十分压力、下游管道的几何尺寸等。随后,Mogi等 重要的。近年来有大量研究人员针对高压氢气泄和Goub等2别对这一现象进行了更细致的研 漏自燃机制展开了研究,获得了一系列研究成果。究,并明确了初始压力、管道长度、管道直径的增加 本文将对国内外本领域的研究成果进行梳理总结,有利于自燃的发生(图1(a)和1(b)),且多边形截 首先对高压氢气泄漏自燃的各种潜在机制逐一说面比圆形截面管道更容易引发自燃。此外,还发现 明,然后将重点介绍基于扩散点火理论的相关实验爆破片的破裂过程以及激波与壁面处边界层的相 和模拟研究成果。肖华华等在200年对国内外互作用均对自燃的发生与否具有一定影响。 基于扩散点火理论高压氢气泄漏自燃机制的研究 截至2009年,国内外基于扩散点火理论的高压 进展进行了总结,为保证综述的完整性,本文也会氢气泄漏自燃机制研究数量有限,且大多尚处于定 提及并简要说明文献[3]中包含的部分早期工作,性研究以探索影响因素及其变化规律的阶段,对于 而本文的重点将是介绍近10年来国内外关于高压自燃发生和发展的整体过程仍然不够清晰。为进 氢气自燃机制研究的进展。 一步研究泄漏自燃的整个过程,Grme等首先利 1自燃的潜在机制 用纹影技术观察了高压氢气分别通过阀门和爆破 片释放到大气中时喷口的流场结构,研究发现,使 根据 Astbury等在2007年总结的高压氢气泄快速阀门泄放氢气不会在喷口处产生激波,也不 漏自燃的潜在点火原因,得出5种可能的高压氢气会导致自燃,而爆破片泄放则产生清晰的激波结 泄漏自燃机制:①逆焦耳汤姆逊效应,②静电点火,构,进而引发自燃并形成喷射火。同时,测量了在 ③扩散点火,④瞬时绝热压缩点火,⑤热表面点火。自燃诱发喷射火过程中产生的爆炸超压以及火焰 目前,极少有关于热表面点火和瞬时绝热压缩点火热辐射的伤害范围,类似的爆炸现象产生的超压在 机制的研究,逆焦耳汤姆逊效应已在后续的研究中Mogi等的实验中也曾被测到。随后Ekoo 被证实升温有限不会导致氢气自燃,主要的研究均等实验研究了此类氢气射流火焰的热辐射特性 基于扩散点火理论展开。除了上述可能的机制之并针对大尺寸火焰近场的地面辐射和远端浮力控 外,也有学者提出了催化点火和机械摩擦与冲击制下的中心线变化特性,提出了优化算法,提高了 点火机制,并分别进行了实验验证,但缺乏持续预测精度。为进一步研究不同管道长度下自燃变
优点一直以来备受青睐，是一种极具潜力的下一代 战略能源。 然而，氢气在具备上述优点的同时，也 具有易泄漏、扩散快、点火能极低（０ ０１７ ９ ｍＪ）、爆 炸极限宽（４％ ～ ７５ ６％） 的危险特性。 正因此类危 险特性，氢气的存储安全问题目前已成为制约其大 规模使用的主要因素之一，而相关安全技术仍需要 进一步的深入研究，方能为氢能产业的健康快速发 展提供可靠的保障。 目前，高压存储是使用最广泛的储氢方式［１⁃８］ ， 其中已量产的丰田氢能源汽车 Ｍｉｒａｉ 所使用的氢气 储罐的储存压力可达 ７０ ＭＰａ。 但是，高压储存的氢 气一旦意外泄漏，极易引发燃烧或爆炸事故，进而 造成严重的人员伤亡和财产损失。 据统计，在高压 氢气泄漏后引发燃烧和爆炸的事故中，有近 ６０％的 事故灾害无法确定外界点火源［２］ 。 而文献［８］研究 表明，高压氢气在突然泄放时可能发生自燃，这种 特殊性质也成为目前高压储氢的一个重要安全 隐患。 为保障氢气的安全使用，完整地掌握高压氢气 泄漏自燃过程中的影响因素及其变化规律是十分 重要的。 近年来有大量研究人员针对高压氢气泄 漏自燃机制展开了研究，获得了一系列研究成果。 本文将对国内外本领域的研究成果进行梳理总结， 首先对高压氢气泄漏自燃的各种潜在机制逐一说 明，然后将重点介绍基于扩散点火理论的相关实验 和模拟研究成果。 肖华华等［３］ 在 ２００９ 年对国内外 基于扩散点火理论高压氢气泄漏自燃机制的研究 进展进行了总结，为保证综述的完整性，本文也会 提及并简要说明文献［３］中包含的部分早期工作， 而本文的重点将是介绍近 １０ 年来国内外关于高压 氢气自燃机制研究的进展。 １ 自燃的潜在机制 根据 Ａｓｔｂｕｒｙ 等［４］在 ２００７ 年总结的高压氢气泄 漏自燃的潜在点火原因，得出 ５ 种可能的高压氢气 泄漏自燃机制：①逆焦耳汤姆逊效应，②静电点火， ③扩散点火，④瞬时绝热压缩点火，⑤热表面点火。 目前，极少有关于热表面点火和瞬时绝热压缩点火 机制的研究，逆焦耳汤姆逊效应已在后续的研究中 被证实升温有限不会导致氢气自燃，主要的研究均 基于扩散点火理论展开。 除了上述可能的机制之 外，也有学者提出了催化点火［５］ 和机械摩擦与冲击 点火［６］机制，并分别进行了实验验证，但缺乏持续 的研究。 基于扩散点火理论的相关研究，本文将从 实验和模拟研究两个方面进行总结。 ２ 基于扩散点火理论的研究 ２．１ 实验研究 针对氢气自燃现象，Ｗｏｌａｎｓｋｉ 等［７］ 最早在 １９７２ 年使用激波管实验时发现当高压氢气冲破膜片进 入氧气中时，氢氧混合物在总体温度远低于最小燃 烧温度的情况下依然发生了点火。 研究指出，在高 压氢气冲破膜片进入氧气的过程中，氢气射流前沿 的部分氢气通过扩散和对流与混合区之间的空气 混合形成了可燃混合气体。 由于高压氢气释放时 产生的激波加热了激波后方的气体，会导致前导激 波后方混合区内氢气 空气混合气体温度急剧升高 并最终自燃。 随着 ２１ 世纪氢能逐渐受到重视，相关 研究也开始涌现。 ２００７ 年美国普林斯顿大学 Ｄｒｙｅｒ 等［８］首次建立了储罐与半封闭管道结合的实验装 置，以研究高压氢气通过管道瞬间释放到大气中发 生自燃的现象，研究发现影响自燃的因素包括释放 压力、下游管道的几何尺寸等。 随后，Ｍｏｇｉ 等 ［９⁃１０］ 和 Ｇｌｏｕｂ 等［１１⁃１２］分别对这一现象进行了更细致的研 究，并明确了初始压力、管道长度、管道直径的增加 有利于自燃的发生（图 １（ ａ）和１（ｂ） ），且多边形截 面比圆形截面管道更容易引发自燃。 此外，还发现 爆破片的破裂过程以及激波与壁面处边界层的相 互作用均对自燃的发生与否具有一定影响。 截至 ２００９ 年，国内外基于扩散点火理论的高压 氢气泄漏自燃机制研究数量有限，且大多尚处于定 性研究以探索影响因素及其变化规律的阶段，对于 自燃发生和发展的整体过程仍然不够清晰。 为进 一步研究泄漏自燃的整个过程，Ｇｒｕｎｅ 等 ［１３］首先利 用纹影技术观察了高压氢气分别通过阀门和爆破 片释放到大气中时喷口的流场结构，研究发现，使 用快速阀门泄放氢气不会在喷口处产生激波，也不 会导致自燃，而爆破片泄放则产生清晰的激波结 构，进而引发自燃并形成喷射火。 同时，测量了在 自燃诱发喷射火过程中产生的爆炸超压以及火焰 热辐射的伤害范围，类似的爆炸现象产生的超压在 Ｍｏｇｉ 等［９⁃１０］ 的 实 验 中 也 曾 被 测 到。 随 后 Ｅｋｏｔｏ 等［１４］实验研究了此类氢气射流火焰的热辐射特性， 并针对大尺寸火焰近场的地面辐射和远端浮力控 制下的中心线变化特性，提出了优化算法，提高了 预测精度。 为进一步研究不同管道长度下自燃变 第 ５ 期 汪志雷等：高压氢气泄漏自燃研究进展 ６５７
658 南京工业大学学报(自然科学版) 第41卷 化规律,Lee等1]对长度分别为50、100、200和300动过程,无法使用纹影仪等光学观测设备观察管道 mm的一系列管道(内径10.9mm)进行了测试内部的流场结构。Km等m和 Yamashita等[在 (图1(c),结果表明:随着释放压力的增加,点火实验中,均使用了矩形截面的管道,管内流场结构 位置会向上游移动;在管道长度不足时,自燃火焰得以被清晰观测。两套装置的管道截面均为 仅存在于边界层中且离开管道后即减弱并熄灭。10mm×10m的正方形,Kim等{的装置中管道长 这说明管内发生自燃后初始火焰的发展和传播过度固定为300mm,而 Yamashita等[的装置中管道 程对于能否形成喷射火具有重要影响。然而,由于长度在200~-800mm可调。两者实验结果表明:自 无法观测到金属管道内部自燃发生以及火焰传播燃的发生有明确的临界条件,即管壁最大静压≥2.3 的情况,对于管内爆破片破裂后激波、火焰、氢气射MPa;当自燃发生时,火焰最先出现于混合区边界 流之间的相对运动和发展过程仍不清楚。 层,随后扩散到整个混合区,在此过程中混合区需 于是,Gmme等建立了一套长度630mm、内保持足够长时间,以待点火延迟时间过后形成稳定 径4mm的圆形截面透明管道装置(图2),用于直的自燃火焰;此外,释放压力和管道长度的增加导 接观察自燃火焰在管内产生的位置以及传播特性。致自燃概率上升,这是由于激波强度的提高导致了 在实验中发现:各工况下点火位置均起始于距爆破温度上升,管道长度的增加导致了多维激波作用的 片52mm处;混合区中的火焰随着火焰的传播会发增强。图3(a)即为 Yamashita等实验中记录的 生分裂,一部分火焰向前导激波运动随即淬灭,另不同时刻管道内激波前沿、火焰前沿与后端、氢气 部分向着接触面运动,接触面附近的这部分火焰射流前沿之间的相对位置及变化情况(流动方向从 会持续燃烧直至射流运动到管外。但是,当管道长左向右);图3(b)则展示了管道内自燃火焰的发生和 度长于火焰发生分裂的位置时,自燃火焰将不会引发展过程。综上所述,透明管道以及相关可视化技术 发喷射火。此外,由于圆形截面管道的光学特性,的使用,使得管道内部的流场结构以及激波、火焰、射 在实验中仅能通过相机观测火焰的相对位置和运流之间的相对运动得以清晰直观地展示出来。 a)Goub实验管道 (b) Glob实验管道内部结构1 (c)Lc实验管道mmy3 图1实验部件 Fig 1 Experimental apparatus components 图2 Grune实验中使用的透明管道 igtRansparent tube used in Grune experiments 16
化规律，Ｌｅｅ 等 ［１５］对长度分别为 ５０、１００、２００ 和 ３００ ｍｍ 的一系列管道 （ 内径 １０ ９ ｍｍ） 进行了测试 （图 １（ｃ）），结果表明：随着释放压力的增加，点火 位置会向上游移动；在管道长度不足时，自燃火焰 仅存在于边界层中且离开管道后即减弱并熄灭。 这说明管内发生自燃后初始火焰的发展和传播过 程对于能否形成喷射火具有重要影响。 然而，由于 无法观测到金属管道内部自燃发生以及火焰传播 的情况，对于管内爆破片破裂后激波、火焰、氢气射 流之间的相对运动和发展过程仍不清楚。 于是，Ｇｒｕｎｅ 等 ［１６］建立了一套长度 ６３０ ｍｍ、内 径 ４ ｍｍ 的圆形截面透明管道装置（图 ２），用于直 接观察自燃火焰在管内产生的位置以及传播特性。 在实验中发现：各工况下点火位置均起始于距爆破 片 ５２ ｍｍ 处；混合区中的火焰随着火焰的传播会发 生分裂，一部分火焰向前导激波运动随即淬灭，另 一部分向着接触面运动，接触面附近的这部分火焰 会持续燃烧直至射流运动到管外。 但是，当管道长 度长于火焰发生分裂的位置时，自燃火焰将不会引 发喷射火。 此外，由于圆形截面管道的光学特性， 在实验中仅能通过相机观测火焰的相对位置和运 动过程，无法使用纹影仪等光学观测设备观察管道 内部的流场结构。 Ｋｉｍ 等 ［１７］和 Ｙａｍａｓｈｉｔａ 等 ［１８］在 实验中，均使用了矩形截面的管道，管内流场结构 得以 被 清 晰 观 测。 两 套 装 置 的 管 道 截 面 均 为 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ的正方形，Ｋｉｍ 等［１７］的装置中管道长 度固定为 ３００ ｍｍ，而 Ｙａｍａｓｈｉｔａ 等［１８］的装置中管道 长度在 ２００ ～ ８００ ｍｍ 可调。 两者实验结果表明：自 燃的发生有明确的临界条件，即管壁最大静压≥２ ３ ＭＰａ；当自燃发生时，火焰最先出现于混合区边界 层，随后扩散到整个混合区，在此过程中混合区需 保持足够长时间，以待点火延迟时间过后形成稳定 的自燃火焰；此外，释放压力和管道长度的增加导 致自燃概率上升，这是由于激波强度的提高导致了 温度上升，管道长度的增加导致了多维激波作用的 增强。 图 ３（ ａ）即为 Ｙａｍａｓｈｉｔａ 等［１８］ 实验中记录的 不同时刻管道内激波前沿、火焰前沿与后端、氢气 射流前沿之间的相对位置及变化情况（流动方向从 左向右）；图 ３（ｂ）则展示了管道内自燃火焰的发生和 发展过程。 综上所述，透明管道以及相关可视化技术 的使用，使得管道内部的流场结构以及激波、火焰、射 流之间的相对运动得以清晰直观地展示出来。 图 １ 实验部件 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ 图 ２ Ｇｒｕｎｅ 实验中使用的透明管道［１６］ Ｆｉｇ．２ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｔｕｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｇｒｕｎｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ［１６］ ６５８ 南 京 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） 第 ４１ 卷
第5期 汪志雷等:高压氢气泄漏自燃研究进展 加0m 190瞵 路路路 15核心火焰 140p 130u5 130p 80p 50 000 30 us (a)前导激波、火焰、射流位置关系 (b)火焰传播过程 图3 Yamashita实验中测得的激波、火焰、氢气射流的发展过程 Fig3 Experimental results of Yamashita about leading shock, flame and hydrogen jet is 在对自燃发生及发展的整体过程有了初步完自燃。随着破裂速率的降低,对应的氢气一空气混合 整的认识之后,随着研究的细化,更多的研究开始过程减缓,同时激波强度降低导致波后气体温度下 对各类影响因素进行系统的评估。在一系列影响降,最终导致自燃发生概率降低。此外, Kaneko 自燃的因素中,除了前文已提到的泄放压力、管道等2对比了一系列不同材质及减弱槽深度的爆破 长度、管道直径、管道形状等因素之外,爆破条件对片,结果表明:爆破片材质以及减弱槽深度均会影 自燃的影响也至关重要。根据Erez等的研究,响爆破片爆破速率,进而影响自燃的发生概率;该 在隔膜破裂的瞬间,隔膜两侧的气体由于隔膜的破文献首次直接观测到了自燃发生初始阶段的位于 裂以及破裂过程中隔膜相应变化产生的湍流而剧边界层处的环形火焰。综上可以看出:在释放压力 烈混合。因此,在高压氢气泄漏到管道的过程中,一定时,爆破片的材质、破裂面有无减弱槽以及减 爆破片破裂伊始,氢气-空气即开始混合,随着破口弱槽深度均会影响爆破片的破裂过程,进而直接决 不断扩大,伴随着激波的产生以及管内激波的反定激波强度并影响自燃的发生。除上述提及的管 射,形成了大量的氢气一空气混合物,这些可燃物的长、管径、释放压力、爆破片等因素外,自燃的发生 形成是自燃发生的基础条件之一。除了气体混合还受到其他诸多因素的细微影响,例如环境温度 之外,爆破片的破裂过程还决定着激波的生成强管道壁面粗糙度、气体杂质成分、管道材质、连接缝 度,而高强度激波是自燃发生的另一个基础条件。隙、气体湿度等。这些因素可能会导致实验结果显 Golovastoy等通过实验研究发现,爆破片破裂形示的趋势相似但具体结果差异较大,例如Mogi 成激波的过程可被定义为3种类型,每种破裂类型等、Goub等、Lee等的实验中,自燃所 对应不同的爆破片破裂速率,即一步破裂(90~10需的最小释放压力虽然都会随着管道长度的增加 kPa/mm)、两步破裂(70~80kPa/mm)和三步破裂而降低,但是各工况下自燃所需的最小压力却有较 (40~50kPa/m)。破裂速度越快,高压侧气体向大偏差。各种不同的实验装置很难保证各类细节 低压侧加速越迅速,破裂场景更接近理想情况,激和环境因素完全一致,因此在对比分析过程中可能 波强度更强也更接近理论值,对应的混合过程更充存在较大的误差。在以上研究的基础上,Duan 分,同时激波加热的气体温度也更高,因此更容易等23和Cng等1在同一套装置上进行了大量
图 ３ Ｙａｍａｓｈｉｔａ 实验中测得的激波、火焰、氢气射流的发展过程［１８］ Ｆｉｇ．３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｙａｍａｓｈｉｔａ ａｂｏｕｔ ｌｅａｄｉｎｇ ｓｈｏｃｋ，ｆｌａｍｅ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｊｅｔ ［１８］ 在对自燃发生及发展的整体过程有了初步完 整的认识之后，随着研究的细化，更多的研究开始 对各类影响因素进行系统的评估。 在一系列影响 自燃的因素中，除了前文已提到的泄放压力、管道 长度、管道直径、管道形状等因素之外，爆破条件对 自燃的影响也至关重要。 根据 Ｅｒｅｚ 等［１９］ 的研究， 在隔膜破裂的瞬间，隔膜两侧的气体由于隔膜的破 裂以及破裂过程中隔膜相应变化产生的湍流而剧 烈混合。 因此，在高压氢气泄漏到管道的过程中， 爆破片破裂伊始，氢气 空气即开始混合，随着破口 不断扩大，伴随着激波的产生以及管内激波的反 射，形成了大量的氢气 空气混合物，这些可燃物的 形成是自燃发生的基础条件之一。 除了气体混合 之外，爆破片的破裂过程还决定着激波的生成强 度，而高强度激波是自燃发生的另一个基础条件。 Ｇｏｌｏｖａｓｔｏｖ 等［２０］通过实验研究发现，爆破片破裂形 成激波的过程可被定义为 ３ 种类型，每种破裂类型 对应不同的爆破片破裂速率，即一步破裂（９０ ～ １１０ ｋＰａ ／ ｍｍ）、两步破裂（７０ ～ ８０ ｋＰａ ／ ｍｍ） 和三步破裂 （４０～５０ ｋＰａ ／ ｍｍ）。 破裂速度越快，高压侧气体向 低压侧加速越迅速，破裂场景更接近理想情况，激 波强度更强也更接近理论值，对应的混合过程更充 分，同时激波加热的气体温度也更高，因此更容易 自燃。 随着破裂速率的降低，对应的氢气 空气混合 过程减缓，同时激波强度降低导致波后气体温度下 降，最终导致自燃 发 生 概 率 降 低。 此 外， Ｋａｎｅｋｏ 等［２１］对比了一系列不同材质及减弱槽深度的爆破 片，结果表明：爆破片材质以及减弱槽深度均会影 响爆破片爆破速率，进而影响自燃的发生概率；该 文献首次直接观测到了自燃发生初始阶段的位于 边界层处的环形火焰。 综上可以看出：在释放压力 一定时，爆破片的材质、破裂面有无减弱槽以及减 弱槽深度均会影响爆破片的破裂过程，进而直接决 定激波强度并影响自燃的发生。 除上述提及的管 长、管径、释放压力、爆破片等因素外，自燃的发生 还受到其他诸多因素的细微影响，例如环境温度、 管道壁面粗糙度、气体杂质成分、管道材质、连接缝 隙、气体湿度等。 这些因素可能会导致实验结果显 示的趋势相似 但 具 体 结 果 差 异 较 大， 例 如 Ｍｏｇｉ 等［９⁃１０］ 、Ｇｌｏｕｂ 等［１１⁃１２］ 、Ｌｅｅ 等［１５］ 的实验中，自燃所 需的最小释放压力虽然都会随着管道长度的增加 而降低，但是各工况下自燃所需的最小压力却有较 大偏差。 各种不同的实验装置很难保证各类细节 和环境因素完全一致，因此在对比分析过程中可能 存在 较 大 的 误 差。 在 以 上 研 究 的 基 础 上， Ｄｕａｎ 等［２２⁃２３］和 Ｇｏｎｇ 等［２４⁃２５］ 在同一套装置上进行了大量 第 ５ 期 汪志雷等：高压氢气泄漏自燃研究进展 ６５９
南京工业大学学报(自然科学版) 第41卷 的测试,对比了不同直径、长度80~360mm的金属到控制机制中之后,模拟与实验的结果取得了很 管道内高压氢气泄放过程中自燃临界压力的变化好的一致性,这个结果说明管内自燃的发生并不完 以及点火位置、点火延迟随释放压力的变化。同时全是由激波加热混合区空气所导致。与此同时 还测量了管道形状、破裂口尺寸、变截面等因素对Rudy等wen等3和xu等{3也开展了一系 管内激波传播及自燃发生的影响。对比分析的结列的模拟研究,分别针对光滑平直管道内纯氢气或 果表明:圆形截面的直管道内激波传播速度先增大掺混氮气条件下自燃发生及火焰转变过程、局部收 后减小;在相同管径下,随着破裂口尺寸的缩小激缩和扩张管道内射流和激波传播特性、喷口存在障 波速度将会逐渐降低,自燃所需的最小压力也会不碍物条件下自燃火焰的发展过程等一系列问题展 断上升;自燃发生概率也随着管长和释放压力的增开了模拟研究。结果显示:在平直管道内,接触面 加而增加;在变形截面及变形管道内出现了复杂的在高强度流动中发生扭曲,大量的氢气分子通过扩 激波反射折射以及多维激波结构的作用,致使气体散和对流运动到混合区,并与被激波加热后的空气 被充分加热,进而增加自燃的可能性。由于大多数混合形成可燃气体。在一定泄放压力下,足够强度 的实验研究均采用长度不足1m的短管道,与工程的激波会加热混合充分的氢气一空气混合气体直至 实际相差较多,因此, Kitabavashi等I与潘旭海课自燃发生,随后自燃火焰开始扩散。在自燃火焰发 题组2均结合工程背景,使用长度达到3m或更展扩散过程中,接触面附近的涡旋在自燃火焰从起 长的管道进行了一系列实验研究,研究结果表明:始的层流火焰发展为湍流火焰的过程中发挥了重 1.2~1.5m长度区间是形成自燃所需压力最小的要作用,而氮气的掺混将会导致自燃所需的最低压 管长区间,当管道长度超过这一长度区间后,随着力上升,同时在该模拟中较为清晰完整地展示了流 管道长度的继续增加,临界自燃压力不降反升。文场的完整结构「∞,如图4所示。在局部扩张和收 献[29]的研究结果还表明:当管道长度超过1.5m缩管道中,由于射流反复膨胀与收缩产生的复杂多 后,火焰信号强度随着管长持续增加会迅速衰减直维激波结构互相作用,使得气体充分加热,同时边 至消失,部分情况下管内无火焰信号而射流在管口界层结构的突变产生了更多的涡旋,促进了可燃预 外马赫盘处会发生自燃,这一现象被称为射流点混气体的形成,导致自燃概率增加,推动了火焰的 火。由此可知:高压氢气泄漏自燃不仅受管道内部快速传播,在Duan等的实验中也验证了这 流动的影响,同时喷口流场对自燃火焰的形成与发结果。在喷口存在障碍物(金属圆盘)时,模拟结果 展也有重要影响。 显示无论是释放压力为10MPa而未能在管内产生 目前的实验研究虽然已经可以实现对主要影自燃火焰的工况,还是释放压力30MPa已产生管 响因素的相关参数进行研究,但是受现有实验技术内自燃火焰的工况,当射流前沿到达障碍物时均会 的限制,部分关键参数仍然无法精确测量,如混合产生火焰或加强已有火焰,但由于强烈的二次膨胀 区温度、火焰温度、边界层厚度及局部浓度变化等,以及后续低温氢气射流的到来,火焰均会熄灭[2 同时激波的反射、折射等现象以及自燃起始位置的这表明喷口障碍物的存在将会破坏马赫盘对可燃 局部精细流场结构等仍然难以直接观测。 物的聚敛压缩作用,使得自燃不会发展为喷射火 2.2数值模拟研究 但在后续的实验中也发现这一现象在不同障碍物 数值模拟硏究以其独特的优势可以与实验硏尺寸和障碍物与喷口距离条件下会有所不同 究互为补充,从而有效推进了高压氢气自燃机制的 在 Yamada等[3的模拟研究中,完整重现了 研究。通过数值模拟,可以清晰地观察很多实验中自燃的发生和发展过程,并详细地阐释了相关机 无法观察到的现象,如多维激波的作用效果,激波制,准确地预测了不同工况下的点火位置变化,并 产生过程中混合区温度的变化以及小直径管道中在后续的实验中得到了验证。 Yamada等33的模 激波与边界层的相互作用等。 拟结果表明:隔膜破裂瞬间管内形成了大量的涡 Goub等[在实验研究的基础上,建立了相应旋,同时激波产生的高温导致混合气体发生强烈的 的数值模型,开展了模拟研究。对比实验与模拟结化学反应。如果没有管道,直接从小孔向外界大气 果发现,接触面与边界层的相互作用对自燃过程有泄漏时,由于没有管道边界层,无法产生引起氢气 重要的影响,在将各类因素尤其是边界层的影响加氧气混合的足够的涡旋,因此无法发生自燃。此
的测试，对比了不同直径、长度 ８０ ～ ３６０ｍｍ 的金属 管道内高压氢气泄放过程中自燃临界压力的变化 以及点火位置、点火延迟随释放压力的变化。 同时 还测量了管道形状、破裂口尺寸、变截面等因素对 管内激波传播及自燃发生的影响。 对比分析的结 果表明：圆形截面的直管道内激波传播速度先增大 后减小；在相同管径下，随着破裂口尺寸的缩小激 波速度将会逐渐降低，自燃所需的最小压力也会不 断上升；自燃发生概率也随着管长和释放压力的增 加而增加；在变形截面及变形管道内出现了复杂的 激波反射 折射以及多维激波结构的作用，致使气体 被充分加热，进而增加自燃的可能性。 由于大多数 的实验研究均采用长度不足 １ ｍ 的短管道，与工程 实际相差较多，因此，Ｋｉｔａｂａｙａｓｈｉ 等 ［２６］与潘旭海课 题组［２７⁃２９］均结合工程背景，使用长度达到 ３ ｍ 或更 长的管道进行了一系列实验研究，研究结果表明： １ ２～１ ５ ｍ 长度区间是形成自燃所需压力最小的 管长区间，当管道长度超过这一长度区间后，随着 管道长度的继续增加，临界自燃压力不降反升。 文 献［２９］的研究结果还表明：当管道长度超过 １ ５ ｍ 后，火焰信号强度随着管长持续增加会迅速衰减直 至消失，部分情况下管内无火焰信号而射流在管口 外马赫盘处会发生自燃，这一现象被称为射流点 火。 由此可知：高压氢气泄漏自燃不仅受管道内部 流动的影响，同时喷口流场对自燃火焰的形成与发 展也有重要影响。 目前的实验研究虽然已经可以实现对主要影 响因素的相关参数进行研究，但是受现有实验技术 的限制，部分关键参数仍然无法精确测量，如混合 区温度、火焰温度、边界层厚度及局部浓度变化等， 同时激波的反射、折射等现象以及自燃起始位置的 局部精细流场结构等仍然难以直接观测。 ２．２ 数值模拟研究 数值模拟研究以其独特的优势可以与实验研 究互为补充，从而有效推进了高压氢气自燃机制的 研究。 通过数值模拟，可以清晰地观察很多实验中 无法观察到的现象，如多维激波的作用效果，激波 产生过程中混合区温度的变化以及小直径管道中 激波与边界层的相互作用等。 Ｇｌｏｕｂ 等［１１］在实验研究的基础上，建立了相应 的数值模型，开展了模拟研究。 对比实验与模拟结 果发现，接触面与边界层的相互作用对自燃过程有 重要的影响，在将各类因素尤其是边界层的影响加 入到控制机制中之后，模拟与实验的结果取得了很 好的一致性，这个结果说明管内自燃的发生并不完 全是由激波加热混合区空气所导致。 与此同时， Ｒｕｄｙ 等［３０］ 、Ｗｅｎ 等［３１］ 和 Ｘｕ 等［３２⁃３３］ 也开展了一系 列的模拟研究，分别针对光滑平直管道内纯氢气或 掺混氮气条件下自燃发生及火焰转变过程、局部收 缩和扩张管道内射流和激波传播特性、喷口存在障 碍物条件下自燃火焰的发展过程等一系列问题展 开了模拟研究。 结果显示：在平直管道内，接触面 在高强度流动中发生扭曲，大量的氢气分子通过扩 散和对流运动到混合区，并与被激波加热后的空气 混合形成可燃气体。 在一定泄放压力下，足够强度 的激波会加热混合充分的氢气 空气混合气体直至 自燃发生，随后自燃火焰开始扩散。 在自燃火焰发 展扩散过程中，接触面附近的涡旋在自燃火焰从起 始的层流火焰发展为湍流火焰的过程中发挥了重 要作用，而氮气的掺混将会导致自燃所需的最低压 力上升，同时在该模拟中较为清晰完整地展示了流 场的完整结构［３０⁃３１］ ，如图 ４ 所示。 在局部扩张和收 缩管道中，由于射流反复膨胀与收缩产生的复杂多 维激波结构互相作用，使得气体充分加热，同时边 界层结构的突变产生了更多的涡旋，促进了可燃预 混气体的形成，导致自燃概率增加，推动了火焰的 快速传播［３２］ ，在 Ｄｕａｎ 等［２３］的实验中也验证了这一 结果。 在喷口存在障碍物（金属圆盘）时，模拟结果 显示无论是释放压力为 １０ ＭＰａ 而未能在管内产生 自燃火焰的工况，还是释放压力 ３０ ＭＰａ 已产生管 内自燃火焰的工况，当射流前沿到达障碍物时均会 产生火焰或加强已有火焰，但由于强烈的二次膨胀 以及后续低温氢气射流的到来，火焰均会熄灭［３２］ ， 这表明喷口障碍物的存在将会破坏马赫盘对可燃 物的聚敛压缩作用，使得自燃不会发展为喷射火， 但在后续的实验中也发现这一现象在不同障碍物 尺寸和障碍物与喷口距离条件下会有所不同［３４］ 。 在 Ｙａｍａｄａ 等［３５⁃３６］ 的模拟研究中，完整重现了 自燃的发生和发展过程，并详细地阐释了相关机 制，准确地预测了不同工况下的点火位置变化，并 在后续的实验中得到了验证。 Ｙａｍａｄａ 等［３５⁃３６］ 的模 拟结果表明：隔膜破裂瞬间管内形成了大量的涡 旋，同时激波产生的高温导致混合气体发生强烈的 化学反应。 如果没有管道，直接从小孔向外界大气 泄漏时，由于没有管道边界层，无法产生引起氢气 氧气混合的足够的涡旋，因此无法发生自燃。 此 ６６０ 南 京 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） 第 ４１ 卷