初始压力与氢掺混比对富氢天然气/空气混合物爆炸特性与层流燃烧速度的影响机制研究

本文系统研究了多组分天然气掺氢混合物的层流燃烧特性，通过实验与模拟结合揭示了氢气掺混比（5%-30%）和初始压力（1.0-3.0 bar）对层流燃烧速度（LBV）、爆炸压力（Pmax）及火焰稳定性的影响规律，发现高压环境下Darrieus-Landau不稳定性是主导火焰胞状结构发展的关键机制，为富氢天然气的安全输运与燃烧控制提供了重要理论支撑。

　　

^Highlight

^{Experiment setup}

实验装置如图1所示。本研究采用耐压4 MPa的480 mm直径定容不锈钢容器测量层流燃烧速度与爆炸压力，容器配备一对直径150 mm、厚度30 mm的石英玻璃窗作为schlieren系统的光学通道[43]。两根直径1 mm的钨电极从...

^{Demonstration}

本文将实验结果与数值模拟结果对比，以验证实验结果的可靠性并评估所采用反应机制的准确性。图6展示了当γ=0.10、P₀=1.0 bar和P₀=3.0 bar时天然气/氢气/空气混合物层流燃烧速度（LBV）的实验与模拟结果。本研究的实验数据与GRI3.0、SanDiego、Wang等反应机制的模拟结果进行比对...

^Conclusions

本研究通过实验与数值模拟相结合的系统性研究，得出以下主要结论：

(1) 实验表明在定容条件下，随着氢气掺混比从5%增至30%，天然气/氢气/空气混合物的层流燃烧速度（LBV）在φ=1.0–1.1时达到峰值，且...

(2) 初始压力升高显著抑制层流燃烧速度，但会同步提升最大爆炸压力（P_max）和最大压力上升速率（(dp/dt)_max）

(3) 高压环境导致火焰表面皱折增多并呈现明显胞状结构，这主要源于火焰厚度减小和Darrieus-Landau不稳定性增强

(4) 火焰厚度与热扩散系数随氢气掺混比和初始压力增加而降低，进一步阐明了高压环境下火焰胞状结构的形成机制

(5) 有效路易斯数（Effective Lewis number）随当量比增加而增大，在贫燃环境下表现出增强的热扩散不稳定性，而初始压力对其影响可忽略不计，表明高压火焰不稳定性主要受Darrieus-Landau机制主导