高压氢气泄漏自燃机理及其火焰传播特性实验研究

摘要

氢气因其可再生、来源广泛、燃烧过程对环境无污染，且有较高的能源利用效率等优点，引起世界各国的关注和重视。由于氢气密度较低，高压储氢已成为氢能发展中的一项关键技术。然而，氢气有诸多不利于安全的特性，高压氢气一旦泄漏或发生意外事故，很有可能会造成火灾、爆炸等灾害。特别是，在无明显点火源的情况下，高压氢气泄漏后自发着火（自燃）进而发展成为爆炸或喷射火，已成为氢气高压存储的重大安全隐患。因此，在氢能经济到来之前，迫切需要对高压氢气泄漏自燃这一特殊燃烧现象开展研究。本文主要基于扩散点火理论，利用实验和理论分析方法对高压氢气泄漏激波传播特性、自发着火机理以及自燃火焰发展规律进行了细致的研究。
　　首先，利用动态压力传感器和高速纹影技术对高压氢气泄漏过程中激波的产生和传播规律，以及氢气射流的微观动力学发展过程开展研究，内容包括不同结构管道内激波传播特性、氢气射流流场微观结构的变化规律等。结果表明，前导激波在管道内产生，并向管道下游传播，与此同时激波强度逐渐增强并最终趋于稳定。在常截面管道内，激波传播速度先增大后减小，并最终维持在一个常数。较细管径的管道有利于稳定的前导激波快速形成，且大于同等条件较大管径管道内的激波超压。而激波在变截面管道内传播时，由于紧缩结构或扩张结构的出现，会导致强烈的激波反射、激波-激波相互作用、激波聚焦作用等多维激波结构的出现。同时发现前导激波从管内传播到管外，其传播速度表现为首先快速减小，之后再逐渐降低为声速的传播特点。完整记录了激波、高压氢气射流流场结构发展变化规律，先后观察到半球形激波、马赫盘、反射激波、激波三相点等经典激波结构。
　　其次，借助压力采集和火焰探测技术对管道内自燃发生机理、自燃火焰成长机制以及点火发生临界条件开展研究，提出了理论点火临界压力的概念，给出了等截面管道内氢气自燃发生的理论点火临界压力（为1.63MPa）。同时建立了判断释放管道内自燃发生与否的预测模型，探讨了影响自燃发生的可能因素。主要分析了泄放压力、管道长度、直径、管道内部结构改变等因素对自燃发生的影响规律。发现泄放压力越大，自燃发生的可能性越大，且初始点火越易在靠近管道上游位置发生。在实验测量范围内（管长80-360mm，管径10-20mm），管道长度的增大以及管道内径的减小，均有利于自燃的发生。另外，还发现释放管道内部结构的改变可显著的促进自燃的发生，直接表现为变截面管道内自燃发生的最小泄放压力明显低于常截面管道内的点火临界泄放压力。特别是，局部紧缩管内在泄放压力仅为1.84MPa的条件下便会发生自燃，为目前已知的导致自燃发生的最低泄放压力。进一步讨论了局部扩张管内点火发生的三种可能位置。发现点火位置不同对应的点火机制有明显的区别。本文还详细分析了管道内自燃火焰成长的动力学过程，并提出了隔膜多步破裂行为诱发自燃发生、发展的新机制。隔膜完全打开前，由于微小泄漏形成大量的氢-空气混合物。随着隔膜进一步破裂，一道激波可在局部预混气体中产生并诱发点火，自燃火焰快速成长并在管外发展成为喷射火。
　　最后，对自燃火焰在管外的传播动力学以及喷射火的形态演变机制开展实验研究，利用图像分析技术记录了自燃火焰传播、爆燃发展以及喷射火形态演变的动力学过程，同时对爆燃火焰导致局部受限空间的超压特性进行分析。实验结果表明，自燃火焰传播到管外，首先在管口附近处形成团状火焰。之后，火焰团演化为上游燃烧区和下游燃烧区两部分，其中上游燃烧区继续向前方传播，而下游燃烧区在喷口附近处稳定并逐渐增大。自燃火焰传播初期，膨胀的几何效应抑制了扩散层的对流作用，致使火焰传播速度较低。随着氢气射流在开放空间发生快速的动量输运，导致火焰传播速度出现急剧增加。但随着射流动量输运速率的下降，可燃性混合物的产生速度减慢，火焰前锋传播速度逐渐下降并最终趋于稳定。由于氢气射流动量输运在防护箱内的持续进行，形成局部预混氢-空气混合物，从而导致局部受限箱体内出现爆燃现象。爆燃火焰产生大量压力波致使周边环境压力显著升高。防护箱内激波超压均明显小于爆燃作用超压。本文建立了激波超压和爆燃超压随初始泄放压力增加的线性关系式。发现激波前沿和爆燃超压值均随管径的增大而增加。爆燃结束后，自燃火焰转变为高压氢气喷射火的燃烧形式。喷射火燃烧形态由动量控制的水平射流火和浮力驱动控制的垂直方向火羽流两部分构成。发现喷射火的燃烧形态演变主要由泄放压力大小所决定。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高压氢气泄漏自燃理论

1．2．2 高压氢气泄漏自燃实验研究

1．2．3 高压氢气泄漏自燃数值模拟研究

1．2．4 自燃火焰传播研究

1．3 前人研究不足及本论文研究目的

1．4 本论文主要研究内容、技术路线及章节安排

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．4．3 本论文章节安排

第2章 实验系统设计与实验方法

2．1 引言

2．2 高压氢气泄漏自燃实验和数据采集系统设计

2．2．1 高压氢气泄漏模拟装置

2．2．2 下游释放管道

2．2．3 可视化防护箱

2．2．4 摄像系统

2．2．5 纹影光学系统

2．2．6 压力测试系统

2．2．7 火焰探测系统

2．2．8 数据采集系统

2．3 实验方法和实验程序

2．3．1 实验方法

2．3．2 实验程序

2．4 本章小结

第3章 高压氢气泄漏激波传播特性研究

3．1 引言

3．2 管内激波传播特性及理论

3．2．1 激波管流动理论

3．2．2 常截面管道内激波传播特性

3．2．3 变截面管道内激波传播特性

3．3 管外激波传播及氯气射流发展过程

3．4 本章小结

第4章 高压氢气泄漏到管道内自燃机理研究

4．1 引言

4．2 自燃发生理论分析

4．2．1 理论点火临界压力预测

4．2．2 自燃发生影响因素分析

4．3 各因素对自燃发生的影响规律

4．3．1 释放压力的影响

4．3．2 管道长度的影响

4．3．3 管道直径的影响

4．3．4 管道内部结构变化对自燃发生的影响

4．4 管道内自燃火焰成长机制

4．5 本章小结

第5章 管外火焰传播动力学及喷射火形态演变机制研究

5．1 引言

5．2 自燃火焰在管外传播的微观动力学

5．2．1 火焰微观结构

5．2．2 火焰传播特性

5．3 爆燃火焰传播特性研究

5．3．1 爆燃火焰发展过程

5．3．2 爆燃超压特性

5．4 高压氢气喷射火焰形态演变机制研究

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 主要研究结论

6．2 主要创新点

6．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果