不同注入阶段和覆盖比下水雾对氢爆燃的抑制

《Process Safety and Environmental Protection》：Suppression of hydrogen deflagration by water mist under different injection stages and coverage ratios

　　

摘要
为了阐明超细水雾在受限空间内抑制氢气爆燃的机理，本文建立了基于欧拉-拉格朗日方法的气液两相流模型。利用该模型研究了水雾注入阶段和覆盖率对H?/O?/N?预混混合气中火焰传播、压力响应、液滴蒸发和自由基演化的影响。结果表明，在火焰加速阶段而非充分发展阶段注入水雾，能更早削弱火焰前部的热反馈，降低火焰传播强度。在覆盖率为15%时，水雾浓度最高，导致火焰熄灭。然而，当覆盖率增加到30%、45%和60%时，由于浓度降低，火焰仍能穿透水雾区域。水雾注入后，火焰速度在约5-25 m/s范围内波动。在火焰加速阶段，峰值爆炸压力从无雾工况的14.1 ms延迟到水雾工况的15.2-15.5 ms。在火焰加速阶段，火焰对液滴的卷吸作用相对较弱。相比之下，充分发展的郁金香火焰增强了横向液滴卷吸，使更多液滴进入反应区。此外，超细水雾主要通过蒸发吸热、反应物稀释、相间传热以及对H、O和OH自由基积累的抑制来削弱支链反应，从而抑制氢气爆燃。

引言
随着全球能源需求的持续增长和传统化石燃料的逐步枯竭，开发清洁、高效和可持续的能源技术已成为未来社会发展的关键（Alabbasi等人，2024；Cheng等人，2023）。氢气因其环境友好性、高能量密度和可再生潜力而被视为一种有前景的能量载体，已广泛应用于燃料电池（Liu等人，2026；Liu等人，2024a）、储能系统（Pignataro等人，2024）和化学生产（Campion等人，2024）等领域。尽管氢气在清洁能源应用中具有巨大潜力，但因其独特的物理化学性质，也存在显著的安全风险。氢气的特点包括低分子量、高扩散性、低最小点火能量、高燃烧速度和宽可燃极限。一旦泄漏到受限或半受限空间，氢气容易与空气形成可燃预混混合气，在弱点火源作用下可能引发爆燃甚至爆轰（Li等人，2024；Han等人，2024；Amaral等人，2024）。因此，需要严格有效的缓解措施来降低氢气爆炸风险。

与传统的粉末（Luo等人，2025）和卤代烃灭火剂（Fan等人，2026）相比，超细水雾具有成本低廉、广泛可用、无毒性和易于清理等优点（Pei等人，2025）。进入火焰区后，水雾可通过对流传热、蒸发吸热和辐射衰减降低局部温度。同时，产生的水蒸气稀释H?和O?，并改变H、O和OH自由基的反应，从而抑制支链反应（Wei等人，2022；Zhao等人，2025；Nan等人，2024；Xia等人，2025；Khair Allah等人，2025）。因此，超细水雾的爆炸抑制效果是蒸发冷却、气相稀释和自由基调控综合作用的结果。

国内外学者通过实验和数值方法研究了纯水雾对氢气/空气爆燃的抑制作用。Cao等人（Cao等人，2022）实验研究了细水雾对密闭容器中氢气/空气爆燃的抑制效果。结果表明，直径约为10 μm的水雾降低了爆炸压力、火焰传播速度和火焰温度，且抑制效果随水雾浓度增加而增强。然而，该研究中水雾在点火前已存在于管道中，未考虑实际主动抑制系统中火焰探测、水雾喷射和火焰进入水雾区的时间延迟。Li等人（Li等人，2022）研究了微米级水雾对氢气云爆炸的抑制作用，分析了当量比和水雾浓度对火焰行为和爆炸压力的影响。结果表明，水雾通过降低火焰传播速度和延迟压力上升来减弱氢气云爆炸。尽管该研究展示了微米级水雾在开放空间爆炸中的抑制潜力，但其主要关注外部云爆炸，对受限空间中的压力波反射、壁面约束和局部水雾覆盖关注不足。Xia等人（Xia等人，2022）研究了障碍物影响下局部水雾对火焰传播的抑制效果。他们发现，在无障碍物条件下，液滴直径小于30 μm的水雾显著降低了火焰速度和爆炸超压，而45 μm液滴则产生相反效果。在存在障碍物时，局部流场扰动和液滴破碎进一步改变了不同液滴直径水雾的抑制性能。然而，这些研究主要基于现象学的实验观察，缺乏对液滴蒸发、火焰前耦合和自由基演化的定量分析。数值模拟进一步揭示了水雾与氢气火焰之间的气液两相互动。Diao等人（Diao等人，2025）开发了OpenFOAM-Cantera耦合模型来描述氢气/空气爆炸与水雾的相互作用。结果表明，当水雾参数Z达到0.5时，最高温度降至约500 K，实现了火焰熄灭。同时，水雾蒸发的累计吸热量从Z=0.1时的385 kJ增加到Z=0.4时的1533 kJ。然而，该研究主要关注总水雾质量对爆炸抑制的影响，对固定总水雾质量下不同覆盖率导致的局部浓度变化关注不足。Xu和Zhang（Xu和Zhang，2024）综述了水雾抑制氢气爆燃和爆轰的研究，指出液滴直径、水雾浓度、喷射规模、蒸发率和动量交换均影响抑制性能。相关数值研究表明，欧拉-拉格朗日方法、OpenFOAM-Cantera耦合以及CFD-Chemkin求解器框架能有效描述气体反应流与离散液滴之间的动量、热量和质量传递（Xu等人，2025；Huang等人，2023；Chen等人，2024；Zhang等人，2024；Wang等人，2024）。然而，现有数值研究主要关注液滴直径、水雾浓度或注入速度的变化，在固定总水雾质量下不同覆盖率的局部浓度、有效相互作用距离和蒸发时间之间的关系仍未得到充分阐明。

除氢气/空气体系外，水雾还已在气固两相爆炸（Jiang等人，2022）、氢气-甲烷混合燃料爆炸（Bekele等人，2025）、含添加剂的雾系统（Zhang等人，2025）和协同抑制系统（Cao等人，2024）中得到研究。这些研究表明，水雾抑制不仅受液滴直径和水雾浓度控制，还受燃料组成、障碍物配置、喷射位置和化学添加剂的影响。NaOH、NaCl和K?CO?等添加剂可通过增强自由基清除来提高抑制效率，而惰性气体、金属网和水雾可协同作用以削弱火焰传播和压力上升（Song和Zhang，2024；Liu等人，2024b；Hu等人，2024；Pu等人，2024；Yang等人，2025；Tian等人，2023）。然而，由于这些体系中的抑制机理同时受添加剂反应、协同介质和燃料组成变化的影响，无法完全揭示纯水雾与氢气/空气火焰之间的基本气液相互作用。

尽管上述研究已证明水雾在抑制氢气爆燃方面的有效性，但仍有若干问题尚未得到充分研究。首先，现有研究通常假设水雾在点火前已与可燃气体均匀混合，从而忽略了实际的主动爆炸抑制过程。其次，大多数研究分别考察了液滴直径、水雾浓度或注入速度的影响，而在固定总水雾质量下局部水雾浓度与有效相互作用距离之间的竞争关系尚未得到充分探索。第三，火焰发展阶段对液滴卷吸、蒸发和化学反应抑制的影响尚未得到系统阐明。

为克服这些局限性，本研究将主动爆炸抑制过程简化如下：预混气点火后，水雾立即注入火焰前部前方的未燃区域。考虑了两种代表性注入时机，分别对应火焰加速阶段和充分发展火焰阶段。此外，在保持水雾总质量恒定的前提下，采用15%、30%、45%和60%的覆盖率来建立不同的局部水雾浓度与有效相互作用距离的组合。本研究的具体贡献有三方面：（1）通过对比指状火焰加速阶段和充分发展郁金香火焰形成后水雾干预，定量评估了注入时机对抑制效果的影响；（2）在相同总水雾质量下阐明了局部水雾浓度、覆盖长度和火焰-水雾相互作用持续时间之间的竞争效应；（3）通过火焰传播、爆炸超压、温度、液滴蒸发与卷吸以及自由基物种的耦合演化，系统分析了水雾的抑制机理。这些分析为更全面地理解水雾在受限空间内主动抑制氢气爆燃的气液相互作用机理提供了参考。

模型假设与数值方法
为平衡计算精度和计算成本，本文做出以下假设：
（1）综合考虑辐射传热、对流吸热、蒸发潜热和水雾压力破碎的综合效应，假设所有液滴为直径20 μm的球形粒子。
（2）假设液滴在喷射区内均匀分布，忽略喷射过程中湍流的影响。

水雾爆炸抑制中的火焰传播动力学
图3对比了无雾条件和不同水雾注入阶段下的火焰结构演化。图3(a)显示了无雾条件下的火焰演化，火焰形态从半球形火焰演变为郁金香火焰（Zheng等人，2024）。在此情况下，高温区域持续扩展，表明火焰传播未被抑制。图3(b)显示了在火焰加速阶段注入水雾的情况。在注入水雾之前……

结论
基于欧拉-拉格朗日方法，本研究考察了不同水雾注入阶段和覆盖率下超细水雾对受限管道中H?/O?/N?预混气爆燃传播的抑制效果。主要结论如下：
（1）抑制效果取决于火焰发展阶段。在15%覆盖率下，在火焰加速阶段注入水雾将火焰前部温度从约2200-2400 K降低到400-

CRediT作者贡献声明
李天柱：项目管理、概念构思。孙翰：方法学、形式分析、数据整理。徐壮壮：监督指导、调查、形式分析。刘强：原稿撰写、可视化、验证、软件、方法学。张书瑶：可视化、监督指导、项目管理。杨国刚：审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。韩冰：资源、项目管理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究由国家自然科学基金资助（项目编号：52571397）。

刘强 | 徐壮壮 | 孙翰 | 李天柱 | 张书瑶 | 韩冰 | 杨国刚