高压脉冲氢释放条件下含空气混合物的自燃特性与燃烧波传播机制研究

本研究针对高压氢气储存容器泄压时自燃风险及燃烧室高效点火需求，通过数值模拟探究了不同孔径(2-20mm)下氢气脉冲释放至空气/化学计量氢-空气混合物的临界点火压力，发现向预压缩11.4倍的化学计量混合气释放可引发爆轰波传播，为无火花塞点火系统开发提供了新思路。

　　

氢能作为清洁能源载体，其高压储存系统的安全性一直是产业应用的瓶颈问题。当高压储氢容器意外破裂时，氢气喷射至空气中可能引发自燃甚至爆炸，这种被称为"高压氢自燃"的现象自20世纪90年代起就备受关注。与此同时，在燃气轮机燃烧室等工业场景中，如何实现稳定高效的点火始终是技术难点。传统火花塞点火系统存在结构复杂、耐久性差等问题，而利用高压氢喷射自燃特性实现无火花点火的新思路，恰好能同时解决安全防护和能源利用的双重挑战。

俄罗斯科学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的最新研究中，采用计算流体力学(CFD)耦合详细化学反应机理的方法，系统模拟了氢气通过不同孔径(2-20mm)向两种环境介质（空气/化学计量氢-空气混合气）的脉冲释放过程，重点考察了环境预压缩（模拟内燃机气缸内11.4倍压缩比）对自燃特性的影响。通过参数化扫描确定了临界点火压力阈值，并首次揭示了化学计量混合气中爆轰波(Detonation Wave)的形成机制。

Problem setup
研究建立了二维轴对称模型，对比四种典型场景：常温常压空气、常温常压化学计量混合气(29%H₂
/71%air)、预压缩空气和预压缩混合气。通过改变释放孔径(2/5/10/20mm)和初始氢压(10-100atm)，捕捉激波加热、混合层形成等关键物理过程，采用详细氢氧反应机理描述自燃动力学。

Results and discussion

1. 孔径效应：20mm孔径的临界点火压力比2mm降低60%，大孔径更易形成持续燃烧的"火舌"结构；
2. 介质差异：向化学计量混合气释放时，临界压力比纯空气低15-20atm，且会引发爆轰波（传播速度达1800m/s）；
3. 预压缩影响：11.4倍压缩使混合气自燃敏感性显著提升，5mm孔径下临界压力从45atm降至28atm；
4. 最小氢量：仅需0.3mg氢（相当于5mm孔径/40atm条件下）即可引燃整个预压缩燃烧室。

Conclusions
该研究首次系统量化了预压缩环境中氢喷射自燃的临界条件，证实化学计量混合气中爆轰波的产生源于局部热点与预混气体的协同作用。这一发现不仅为储氢设施安全设计提供了压力-孔径匹配准则（如20mm孔径需保持储压<35atm以避免自燃），更开创性地提出了"氢喷射点火"新技术路径——通过精确控制释放参数，可用微量氢（<1mg）替代传统火花塞，这对开发新一代高能效燃烧系统具有重要指导意义。作者特别指出，后续需通过实验验证数值模型中激波-火焰转捩(DDT)过程的准确性，并探索多孔喷射等优化方案以降低临界压力需求。