黏土掺杂双相颗粒裂缝密封材料：密封机理解析与分子动力学模拟

本文系统研究了高压氢气及天然气/氢气管道泄漏引发的欠膨胀喷射火焰对并行管道的影响机制。通过搭建喷射压力1.6-4 MPa、氢物体积分数0-100%的水平喷射火焰实验平台，结合理论分析与实验验证，揭示了氢气掺混对火焰长度、倾角、温度及热辐射特性的影响规律。基于射流弗劳德数(Fr)修正的火焰长度模型和热辐射强度模型误差控制在15%以内，显著提升了工程应用的实用性，为并行氢能管道安全间距设定及防护屏障优化提供了关键理论支撑。

　　

亮点

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  首次在MPa级压力下系统验证氢气掺混对火焰特性的影响
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  建立基于弗劳德数的统一火焰长度与热辐射预测模型
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  为绿色氢能基础设施安全设计提供实验依据

理论分析

对于静止环境中的燃料喷射火焰，初始动量与浮力之比是控制火焰长度的核心参数。如Zhao等人指出，莫宁-奥布霍夫长度尺度(L_f)可量化浮力主导型水平喷射火焰中浮力超越动量的程度：

L_f ∝ (G₀/ρ_∞)^3/4/(J₀/ρ_∞)^1/2

其中动量通量G₀ = m_ju_j = u_j²ρ_jπ(d/2)²，浮力通量J₀ = m_jgΔT_f/T_∞ = u_jρ_jπ(d/2)²g(ΔT_f/T_∞)。

实验研究

实验系统包含供气、测量与数据采集模块。燃料由额定容积40 L、充装压力11 MPa的标准气瓶组通过汇流排供气，经气动减压阀(PN20 MPa)调节至目标喷射压力后，通过内径2 mm的喷嘴形成稳定射流。

实验结果分析

本研究所有工况均形成欠膨胀喷射火焰。图4(a)直观展示了1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa压力下氢物体积分数0%、20%、50%、100%的火焰形态。尽管拍摄时间差异导致背景亮度微变，但仍清晰可见火焰在垂直初始动量与浮力耦合作用下呈现弯曲特征。

工程案例

以新建DN610 mm、设计压力4 MPa的氢气管线为例，评估其喷射火灾对间距6米并行钢管的影响。根据泄漏规模分级：小(0.03-0.3 kg/s)、中(0.3-3 kg/s)、大(3-30 kg/s)、特大(>30 kg/s)故障工况，采用修正模型计算热辐射强度分布。

结论

为满足清洁能源需求，氢能及掺氢天然气管道与其它管线并行敷设日益增多。本研究通过理论与实验相结合，明确了高压氢气/掺氢天然气管道泄漏引发的欠膨胀喷射火焰对并行管道的作用机制，量化了氢气掺混对火焰参数的影响规律，建立的修正模型为并行能源管道安全间距标准化提供了关键技术支撑。