氢气含量对CH4/H2混合气体爆炸压力演化与火焰结构的调控机制研究

为探究清洁能源安全利用难题，研究人员通过激光纹影系统和压力检测技术，结合ReaxFF MD分子动力学模拟，揭示了H2含量（0-0.9）与当量比（0.8-1.2）对CH4/H2爆炸火焰传播及压力演化的影响机制。研究发现H2引发的热扩散不稳定性加速火焰结构演变，提升Pmax、(dP/dt)max和KG值，并通过POD方法解析火焰空间分布特征，为混合气体安全应用提供实验与理论依据。

　　

随着化石能源枯竭与环境污染加剧，氢能作为清洁高效的未来能源备受关注。然而氢气的高成本运输储存难题使其常与甲烷混合使用，这种混合气体的爆炸特性却可能引发更复杂的安全事故。目前研究多聚焦初始条件对爆炸参数的影响，而对火焰结构与压力变化的耦合机制、微观反应路径的解析仍存在空白。南京工业大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表论文，通过激光纹影技术、压力同步检测及ReaxFF MD（反应力场分子动力学）模拟，首次系统揭示了H₂含量对CH₄/H₂混合气体爆炸全过程的影响规律。

研究采用20L密闭爆炸容器结合高速摄影系统，通过POD（本征正交分解）方法量化火焰结构特征；利用ReaxFF MD模拟从原子尺度追踪反应路径。关键技术包括：1）多当量比（0.8-1.2）与H₂梯度（0-90%）实验设计；2）同步采集压力曲线与纹影图像；3）分子动力学模拟反应中间体动态演化。

火焰结构演化分析显示，H₂加速了层流火焰向胞状结构的转变，缩短恒压阶段。CaseⅠ（当量比1.0）中30%H₂含量使胞状结构出现时间提前2.4ms，POD模态能量分析表明过渡阶段主导流场能量分布达63%。

压力特性研究发现，H₂含量每增加10%，P_max平均提升8.7%，(dP/dt)_max呈指数增长。当量比1.2时，90%H₂混合物的K_G值达纯甲烷的3.2倍，证实H₂显著增强爆炸强度。

ReaxFF MD模拟阐明微观机制：H₂通过改变CH₄初始反应路径（CH₄→CH₃+H占比提升至78%），加速H自由基生成；高温下H₂参与的反应速率提升3-5倍，系统温度与关键自由基（H/O/OH）浓度呈正相关。

该研究首次建立从宏观爆炸参数到微观反应路径的完整解析框架，提出火焰-压力耦合演化的三阶段模型（层流期-过渡期-胞状期），为混合气体爆炸风险评估提供新指标。通过揭示H₂对反应路径的重编程作用，为开发针对性的抑爆技术奠定理论基础，对推进氢能安全利用具有重要实践价值。