低压环境下化学计量氢/空气预混爆炸特性的数值模拟研究

为探究高海拔低压环境对氢能安全应用的影响，研究人员通过改进多现象燃烧模型（GASFLOW-MPI），结合热传递机制，对化学计量氢/空气预混爆炸特性进行数值模拟。研究发现，初始压力降低会加剧火焰不稳定性（HD/TD）和热损失效应，导致峰值超压（Pmax）和升压速率显著下降，揭示了低压环境下氢爆炸能量释放减弱的物理机制，为高海拔氢能设施安全设计提供理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，氢能作为零碳清洁能源备受关注，但其宽爆炸极限特性带来安全隐患。中国高速公路隧道建设向高海拔地区延伸，而高海拔低压环境显著影响氢爆炸特性，导致爆炸危害程度变化。例如，青藏高原平均海拔超4000米，大气压力仅为平原地区的60%左右。现有研究多聚焦常压条件，对低压环境下氢爆炸的火焰不稳定性（流体动力学HD/热扩散TD）和热损失耦合机制缺乏系统探索。

为解决这一问题，中国矿业大学（北京）的研究团队通过改进适用于低压球形装置的多现象燃烧模型，采用并行计算程序GASFLOW-MPI，结合热传递机制对化学计量氢/空气预混爆炸进行数值模拟。研究发现：初始压力降低会显著减少反应物质量和消耗速率，导致能量释放减弱；火焰不稳定性和热损失对超压的影响随压力降低而增强。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为高海拔氢能设施安全设计提供了关键理论支撑。

研究主要采用三维建模技术，基于球形实验装置（内径200 mm）进行数值模拟，通过控制方程（体积、质量、动量和能量方程）计算火焰演化过程，并对比实验数据验证模型准确性。

Mathematic model
采用GASFLOW-MPI程序求解控制方程，包括能量方程中热损失项的量化计算。

Geometric model
严格参照文献实验条件建立三维模型，点火源置于球形容器中心以模拟真实爆炸场景。

Overpressure
模拟显示：不同初始压力下超压均呈现先升后降趋势，但P_max和升压速率随压力降低显著下降。例如，初始压力从100 kPa降至50 kPa时，P_max下降约40%。

Conclusion
研究证实：1）热传递模拟能最准确反映低压爆炸特性；2）忽略火焰不稳定性因素（如HD/TD）会导致P_max和升压速率低估，而忽略热损失则会导致高估；3）初始压力降低通过减少反应物质量直接削弱爆炸强度。

该研究首次系统量化了低压环境下HD/TD不稳定性与热损失的耦合效应，揭示了高海拔氢爆炸能量释放减弱的物理本质。成果对氢能基础设施的海拔适应性设计具有重要指导价值，特别是为中国西部高海拔地区的氢能运输与存储安全提供了理论依据。作者Baiwei Lei等强调，后续研究需进一步结合湍流和重力效应，以完善极端环境下的氢安全预测模型。