近年来，氢作为一种清洁能源迅速成为人们关注的焦点。由于易泄漏、燃烧极限宽、最小点火能量低等危险特性，上游制氢、中游储运、下游应用等产业链关键环节存在较高的爆燃风险。相关研究表明，障碍物会加速火焰传播，增加超压，因此有必要研究障碍物影响下的氢火焰传播机理。本研究通过实验和数值模拟的方法研究了当量比和障碍物开口结构对氢-空气火焰形状、火焰传播速度和超压的影响。利用速度矢量和涡量分布进一步分析了氢火焰的传播特性。这项研究的结果有助于预防与氢相关的风险。图1所示为封闭腔室中氢气预混燃烧的实验装置。该系统由一个矩形封闭的视觉室、高速纹影系统、压力传感系统、气体混合系统、数据记录器、定时控制器和高压点火器组成。高速纹影系统被用来记录火焰形状的演变，压力传感器被用来测量超压。本工作的变量为当量比（0.8，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0）和相同阻塞比下的开口结构（正方形，三角形和圆形）。图2示出了开口形状在障碍物上的具体位置。每个障碍物的阻挡比为0.384，开口设置在障碍物的中心，障碍物的长宽均为50 mm，厚度为10 mm，方形开口的边长为31 mm，圆形开口的直径为35 mm，三角形开口为底边朝上的等腰三角形，高40 mm，底41 mm。图3-图5示出了障碍物开口结构对火焰形状演化的影响。火焰前锋经历了球形火焰形成期和指状发展期，接近障碍物时速度开始迅速增大。在此之后，图3和图5中，预混火焰快速通过障碍物开口时形成射流，射流速度在通过方形和圆形开口障碍物后短暂降低，形成散流涡。如图6所示，在不对称三角形开口的作用下，形成局部射流，涡流的强度分布不均匀。此时，火焰在与周围的漩涡相互作用后迅速破裂，火焰剧烈燃烧并再次增大。通过正方形和圆形开口的预混火焰呈现出上下更对称的形状，而通过三角形开口的预混火焰短暂呈现出拳头形状，并迅速蔓延，如图6所示。当下游火焰回流加剧上游火焰燃烧时，障碍物上游的未燃烧气体随后被卷入剧烈燃烧的回流火焰中。在三种开口结构下，均能在后期形成变形郁金香火焰。图6显示了开口结构和当量比对FFS的影响。在本研究中，FFS被定义为单位时间内火焰前锋所经过的距离。从图中可以清楚地看出，当当量比从0.8增加到1.5时，火焰速度增大并达到最大值，而当当量比从1.5增加到3.0时，火焰速度明显减小。当当量比为1.5的火焰前锋通过圆形开口障碍物时，峰值速度可达325 m/s。FFS峰分别比其他当量比（0.8、1.0、2.0、2.5、3.0）高67.1%、5.5%、14.3%、59.0%和162.9%。当量比为1.5的圆形开口和当量比为1.0的方形开口的FFS峰分别增加了9.8%和4.5%。火焰发展初期的FFS变化基本一致，燃烧膨胀加速了火焰发展初期的FFS变化。当火焰接近并通过多孔障碍物时，其速度明显增大，并在障碍物下游迅速达到峰值，这是由于火焰与障碍物之间的高动量射流作用。然后，火焰由于尖端的膨胀而短暂地减慢。在此之后，由于K-H不稳定性，火焰与周围的旋涡相互作用，形成快速湍流燃烧。当当量比为0.8-2.0时，火焰速度再次达到峰值，但当当量比超过2.0时，湍流燃烧过程变慢，火焰前锋的峰值速度消失。最后，形成变形的郁金香火焰，并伴有周期性振动。从图6中还可以看出，只有当当量比为0.8、2.5和3.0时，三种开口形状障碍物的影响下的自由流场几乎没有差别。这是因为在上述三种当量比下燃烧相对温和，流场与火焰之间的相互作用的影响不是很强。当当量比为1.0-2.0时，圆形开口障碍物产生的自由流场峰值分别比三角形开口障碍物和方形开口障碍物高3%~16%和6%~27%。
图7示出了障碍物开口结构对超压的影响。超压的演化经历了4个阶段：初始发展阶段、快速升压阶段、强烈振荡阶段和波动降压阶段。在初始发展阶段，从理想状态方程可以看出，当温度缓慢上升时，压力以相对缓慢的速度上升。快速升压期是湍流火焰加速燃烧释放大量能量的结果，并伴有激波和声波。这些机械波与壁相互作用，导致压力的高频振荡和周期性波动。这些压力波随着后期壁面逐渐吸热引起的压力降而逐渐减弱消散。正方形和圆形开口的超压曲线均表现出类似的强烈振荡，而三角形开口的超压曲线振荡幅度略小于其他情况。当当量比为0.8时，圆形开口的峰值超压分别比三角形开口和正方形开口的峰值超压大31.9%和28.1%，而当当量比为2.0时，这些数字变为7.8%和-1.2%。当当量比为1. 0时，三种开口障碍物影响下的超压峰值几乎没有差别。从图7中还可以看出，当当量比为1.5时，圆形开口的峰值超压比三角形开口障碍物和方形开口障碍物的峰值超压高5%和10%，并且还可以观察到三角形开口障碍物引起的超压衰减幅度略小于其他障碍物。当当量比为2.0、2.5和3.0时，压力振荡逐渐减弱。从图7中还可以看出，三种开口结构下的压力变化趋势是相同的，这归因于相似的障碍物结构和阻塞比。图8显示了火焰传播方向上的速度矢量图：（a）正方形（B）三角形（c）圆形。在第一列中，由于燃烧气体的膨胀，可以在障碍物后面观察到不同形状的涡流。方形开口和圆形开口障碍物下游均形成对称强度相同的旋涡，而三角形开口障碍物下游则形成较强的局部旋涡。当火焰前锋穿过障碍物开口时，涡流逐渐变强。在第三列中，可以看到火焰前锋卷曲并围绕旋涡方向旋转，这是火焰减速的主要原因。在此之后，火焰与涡流相互作用，火焰不稳定性导致火焰表面迅速破碎，加速湍流燃烧。在第四列中，可以观察到由于涡流而膨胀和返回的火焰。图8 火焰传播方向上的速度矢量图：（a）正方形（B）三角形（c）圆形图9示出了障碍物周围的速度矢量图，取自垂直于障碍物前后的火焰传播方向的截面。它直接反映了火焰高速射流通过障碍物时障碍物周围的速度分布。第一个是火焰射流通过障碍物时障碍物上游的速度分布。可以看出，此时上游流场可以保持稳定状态。最后是火焰射流通过障碍物时障碍物下游附近的速度分布。方形开口障碍物的速度分布与圆形开口障碍物的速度分布相似，均呈绕中心对称分布。图中反映的旋涡强度明显低于圆形开口的强度，这也造成了火焰阵面峰值速度的差异。而三角形开口障碍物形成的旋涡强度介于两者之间。图9 障碍物周围的速度矢量图：（a）正方形（B）三角形（c）圆形图10显示了不同障碍物产生的涡量分布。可以看出，在火焰前锋通过障碍物之前，火焰形状比较平滑，涡量变化比较小。当火焰通过障碍物时，涡量逐渐增大，火焰尖端由于涡的作用表现出较高的局部涡量。火焰与涡流的相互作用使火焰面发生了折叠，可以看出，火焰面通过圆形开口和方形开口障碍物时的破裂和扩展更为明显。当火焰回流到开口附近时，流场本身的压缩导致障碍物下游产生较强的涡量，并延伸到障碍物上游，可见强涡的回流火焰形状。由于障碍物开口形状的不同，封闭空间内流场中旋涡的分布也不同。这些差异最终影响自由流场和压力振荡。(1)预混火焰快速穿过障碍物开口形成射流，穿过方形和圆形开口障碍物后形成散射涡流。但在非对称三角形开口的作用下，形成了局部射流，涡强分布不均匀。通过方形和圆形开口的预混火焰呈现对称的蘑菇状，而通过三角形开口的预混火焰短暂呈现拳头状。在这三种开口结构下，可以观察到郁金香火焰形成后期的变形。(2)当它接近障碍物时，FFS开始迅速增加。圆形开口对火焰前锋速度的增加最大，而方形开口对火焰前锋速度的增加最小。当当量比为1.0-2.0时，圆形开口障碍物产生的自由流场峰值分别比三角形开口障碍物和方形开口障碍物高3%~ 16%和6%~ 27%。而对于当量比为0.8的稀气体和当量比为2.5和3.0的稠密气体，障碍物对自由流场的影响不明显。(3)正方形和圆形开孔障碍物形成的压力梯度上下对称，其超压曲线均表现出相似的强烈振荡，而三角形开孔障碍物形成的压力梯度分布形式不对称，导致三角形开孔障碍物的超压振荡幅度略小于其他情况。当当量比为1.5时，圆形开孔障碍物的超压峰值分别比三角形开孔障碍物和方形开孔障碍物高5%和10%。(4)火焰通过障碍物时，方形开口障碍物和圆形开口障碍物周围的速度分布相似，方形开口障碍物周围的旋涡强度明显低于圆形开口障碍物周围的旋涡强度，而三角形开口障碍物周围的旋涡强度介于两者之间。火焰沿着涡场传播导致火焰形状、火焰阵面速度、超压等参数的差异。
选自微信公众号 X燃爆科研工作室
