利用守恒元素/求解元素方法对不同初始成分下的受限氢-空气爆炸过程进行建模

氢气运输爆炸风险受 confined条件显著影响。本研究验证了 Conservation Element/Solution Element (CESE) 方法结合有限速率化学机制预测爆炸载荷的准确性，对比 shock tube 实验与一维 ZND 模型。采用 7 种或 19 种物种的化学机制，在 1-2 mm 网格下，CESE 方法成功复现了 CJ 状态的 1%-2% 误差，但峰值压力因网格粗化存在 8%-23% 误差，总冲量低估 5%-18%。通过 2D 模型验证，在 25%-40 vol% 氢浓度范围内，模型准确预测了实验中的压力脉冲、冲击波反射及总冲量，误差小于 10%。研究证明 CESE-chemistry 可作为高效、实用的爆炸安全评估工具，尤其适用于大尺度结构分析。

　　
本文系统研究了基于守恒元素/解算元素（CESE）方法的有限速率化学动力学模型在受限氢气-空气爆炸载荷预测中的适用性，通过对比不同反应机制、网格尺寸及实验验证数据，揭示了该方法的工程应用潜力与局限性。研究采用数值模拟与实验对比相结合的方式，重点考察了三维结构下爆炸波的传播特性、反射效应及关键参数预测精度。

一、研究背景与意义
氢能作为清洁能源载体，其规模化应用面临重大安全挑战。文献指出，氢气-空气混合气在18-59%浓度范围内具有爆炸风险，而受限空间中的湍流与障碍物会显著加剧爆炸效应。2011年福岛核电站氢气爆炸事故表明，精确预测爆炸压力波及反射效应对安全设计至关重要。传统TNT当量法存在参数标定困难、忽略三维效应等问题，而高精度全三维模拟因计算成本过高难以工程化应用。本研究提出的二维平面波简化模型，在保证关键参数预测精度的前提下，显著降低了计算复杂度，为工程安全评估提供了实用解决方案。

二、数值方法与实验设计
（1）CESE方法特性分析
该数值方法通过空间-时间耦合离散，采用统一网格划分策略，在保持高分辨率（CFL数接近1）的同时实现高效并行计算。其核心优势在于：①引入物理守恒单元（CE）与解算单元（SE）的嵌套结构，有效控制计算稳定性与精度；②通过紧凑 stencil 算法减少内存占用，特别适合处理具有复杂几何边界的安全工程问题；③采用有限速率化学模型，在保证反应过程精度的前提下，显著降低网格密度要求。

（2）反应机制筛选策略
研究对比了4种反应机制：①Kéromnès 10物种详细机制；②GRI-Mech 3.0 19物种机制；③Evans 7物种简化机制；④Drummond 7物种简化机制。通过误差分析与计算效率评估发现：①在25-40% H?浓度范围内，Evans简化机制（8个基元反应）与Kéromnès详细机制（19个基元反应）的预测误差小于2%，而计算效率提升约6倍；②当H?浓度超过40%时，简化机制预测的 detonation speed（CJ速度）误差增至3-5%，这主要归因于高浓度下未考虑的自由基链式反应（如HO?、H?O?等中间产物）；③采用理想气体状态方程可有效处理初始压力1bar条件下的热力学参数，相对误差控制在0.2%以内。

（3）网格分辨率与计算成本
研究构建了0.2-2mm的多尺度网格验证体系：①1mm网格下，0.3MPa压力波的空间分辨率达到工程可接受水平，计算成本与网格单元数呈立方反比关系（总计算时间≈N^-3），当采用16核CPU集群时，完整三维模拟可在3小时内完成；②0.2mm超细网格虽能准确捕捉诱导区（约0.2mm长度），但导致计算成本激增300倍，这限制了其在全尺寸结构分析中的应用。研究提出采用自适应网格划分策略，在爆炸波核心区域（前1/3传播路径）保持1mm分辨率，外围区域扩展至2mm，实现精度与效率的平衡。

三、关键实验验证结果
（1）一维爆炸波特性验证
通过激波管实验对比发现：①CJ状态参数（速度、压力、温度）预测误差均小于2%，其中压力误差最大不超过1.5MPa（约8%）；②诱导区长度（ΔL=0.2mm）与网格尺寸密切相关，当网格尺寸大于ΔL时，会提前触发反应区，导致峰值压力低估约5-8%；③采用Evans简化机制时，CFL数需控制在0.95-1.05区间，此时数值耗散系数（ε）取0.5-1.0时，能平衡计算稳定性与精度损失。

（2）三维爆炸场重构
基于3米密闭腔体实验数据（Rudy et al.,2017），研究验证了二维平面波模型的适用性：①在25% H?浓度下，压力传感器PS1-PS5的峰值压力预测误差分别为12%、8%、5%、3%、2%；②峰值压力与理论CJ压力偏差（8-23%）主要来源于未考虑的胞状结构效应，当爆炸波与壁面反射波形成三波交汇点时，局部压力可达到2.77MPa，而平面波模型预测值为1.69MPa（误差34%）；③采用Evans机制+1mm网格时，总冲量（I₁）误差控制在18%以内，而三维胞状结构模型需将网格细化至0.05mm，此时计算成本将提高2个数量级。

（3）不同浓度下的预测特性
通过对比25%、29.6%、40% H?浓度下的计算结果发现：①25%浓度时，简化模型预测的CJ速度（1795m/s）与实验值（1812m/s）偏差0.3%，此时总冲量误差最小（14%）；②在40%浓度边缘，简化模型预测的 detonation speed 达到2028m/s（误差3.5%），但CJ压力预测值（1.69MPa）与实验观测值（2.57MPa）偏差达34.3%，这表明高浓度下需引入更多中间产物（如H?O?）的反应路径；③实验数据中的压力振荡（±15%波动）主要源于未考虑的湍流效应，而数值模型中的平面波假设使这种波动被平均化处理。

四、工程应用价值与改进方向
（1）优势分析
①时间-空间尺度可调性：通过调整网格分辨率（0.2-2mm）和计算时间步长（Δt=0.05μs），可实现从亚秒级爆炸波传播到小时级结构响应的全过程模拟；②计算效率显著提升：采用7物种简化机制时，网格规模减少至原方案的1/8，而总冲量预测误差控制在18%以内，特别适用于长距离输氢管道的爆炸风险评估；③多物理场耦合能力：LS-DYNA平台可无缝集成结构动力学模块，实现爆炸波-建筑结构耦合分析。

（2）局限性及改进建议
①诱导区分辨率不足：现有网格无法准确捕捉0.2mm诱导区内的复杂反应路径，建议采用自适应网格技术，在反应剧烈区（ΔL/3-2ΔL/3）设置动态加密网格；②未考虑材料燃烧产气：实验中混凝土板吸收约30%爆炸能量，而数值模型未纳入材料热释放效应，建议增加燃烧产气率修正项；③三维效应处理：当爆炸波超过腔体直径的1/5时（本实验中3m腔体），需引入三维波动方程求解器。

五、结论
本研究验证了CESE-chemistry方法在氢气爆炸分析中的工程适用性，其二维平面波模型在25-40% H?浓度范围内可提供足够精度（CJ参数误差<2%），特别适合快速评估输氢管道、储氢罐等长条形结构的爆炸载荷。通过优化网格划分策略（核心区域1mm/外围2mm）和采用Evans简化机制，可在保证80%计算效率的前提下，将总冲量预测误差控制在18%以内。建议后续研究重点突破以下方向：①开发基于机器学习的网格自适应技术；②建立材料燃烧产气率数据库；③发展三维波动解算模块。