封闭空间内甲烷/氢气非均匀爆炸特性研究：火焰传播与超压动力学机制

为应对氢能应用中的安全挑战，北京自然科学基金支持团队开展封闭空间内氢气掺混天然气(HBNG)非均匀爆炸研究。通过控制点火延迟时间(0-2 min)，系统分析火焰形态不稳定性与超压演化规律，发现氢气掺混显著延长甲烷可燃延迟时间，峰值超压呈抛物线分布，为储氢设施顶部抗爆设计提供关键数据。

　　

随着全球能源转型加速，氢能因其零碳排放特性成为21世纪最具潜力的清洁能源。然而氢气的低密度（仅为空气的1/14）、极低点火能量（0.02 mJ）和宽泛可燃范围（4%-75%）等特性，使其在管道运输和储存过程中存在重大安全隐患。国际能源署(IEA)数据显示，全球已有36个国家启动氢气掺混天然气(HBNG)示范项目，但氢气掺入导致天然气爆炸风险显著提升。特别是在泄漏场景下，由于密度差异形成的非均匀浓度分布，使得火焰传播和压力波演化过程变得异常复杂，这对工业安全防护提出了全新挑战。

北京自然科学基金资助团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究，首次系统揭示了封闭容器内HBNG非均匀爆炸的动态特性。研究采用schlieren高速摄影（5000 fps）同步捕捉火焰形态，结合压力传感器阵列监测超压演变，通过精确控制点火延迟时间（0-2 min）模拟实际泄漏后的浓度梯度形成过程。实验对比了等体积分数下纯甲烷、纯氢及HBNG三者的爆炸行为差异。

主要技术方法

1. 构建20 L圆柱形爆炸容器，配备schlieren光学系统（含150 W LED光源和VEO710L高速相机）记录火焰传播
2. 采用气相色谱仪标定不同延迟时间（0/1/2 min）下的浓度梯度分布
3. 通过同步触发系统实现点火（30 J火花塞）、数据采集（1 MHz采样率）与高速成像的毫秒级同步
4. 使用压力传感器（量程0-1 MPa）记录动态压力曲线，计算(dp/dt)_max等特征参数

火焰传播动力学
研究发现氢气掺混使甲烷可燃延迟时间延长40%-60%。随着点火延迟增加，火焰呈现明显向上偏移特性：当延迟2 min时，火焰前锋向顶部高浓度区（H₂ >30%）的传播速度比底部快2.3倍。通过定量分析发现平均火焰速度与延迟时间呈指数衰减关系：v = v₀e^-kt（k=0.018 s^-1）。特别值得注意的是，HBNG火焰边缘出现典型胞状结构，其不稳定性指数随延迟时间线性增长（R²=0.91）。

超压演化规律
峰值超压呈现抛物线分布，在延迟2 min时达到最大值（比即时点火高28%）。压力上升速率(dp/dt)_max表现出燃料依赖性：HBNG先增后减，而纯氢则相反。在零延迟条件下，三种燃料的爆炸强度排序为：火焰速度（HBNG < CH₄ < H₂），但峰值超压却是（H₂ > HBNG > CH₄）。进一步分析表明，最大压力主要受点火位置浓度控制，当局部H₂浓度达25%时产生共振增强效应。

工程安全启示
基于火焰上浮特性，研究建议加强储氢设施顶部结构强度（推荐抗爆等级提升30%），并提出梯度防护概念：顶部采用陶瓷纤维复合材料，侧壁使用穿孔钢板衰减压力波。该成果为ISO/TC197氢能安全标准修订提供了实验依据，特别适用于地下管廊和加氢站等封闭场景的风险评估。

这项研究首次建立了点火延迟时间-浓度梯度-爆炸强度的定量关系模型，填补了非均匀可燃云爆炸预测的理论空白。研究团队Lei Pang指出，下一步将开展三维浓度场重建与多尺度仿真，为智能泄漏预警系统开发奠定基础。随着氢能基础设施大规模建设，这项成果对预防重大连锁事故具有重要指导价值。