高压储罐意外或技术开启时氢气的冲击点火研究
本文来源：Shock-induced ignition of hydrogen gas during accidental or technical opening of high-pressure tanks
1. 研究背景
1.1可燃气体流出问题的重要性
可燃气体流入氧化剂介质是一个重要过程，在热机中，燃料 - 空气混合、点火、燃料燃烧的完全程度以及燃烧效率都依赖于可燃气体的流动。同时，气体从储罐和管道泄漏时也可能发生燃烧。如今，随着氢能开发进程的推进，确保高压储氢罐的安全性变得至关重要。尽管氢能开发前景广阔，但在氢气储存、使用和运输过程中也带来了诸多安全问题。上个世纪以来，有报告称高压氢气泄漏时会无故自燃，对于其点火方式存在多种理论，如反向焦耳 - 汤姆逊效应、静电荷产生、扩散点火、突然绝热压缩和热表面点火等（Astbury & Hawksworth, 2005）。
1.2前人研究情况
1973年，Wolan´ ski和Wo´ jcicki首次提出扩散点火现象，他们通过实验证明，当高压氢气在充满空气或氧气的管中受到冲击波作用时会发生点火，且发现即使周围温度低于氢气自燃阈值，氢气表面与被初级冲击波加热的周围氧化剂接触时，由于扩散导致可燃混合物温度急剧上升，从而引发点火。此后，Baev、Buzukov和Shumskii（2000）以及Baev、Shumskii和Yaroslavtsev（1983）研究了氢气与周围空气接触时的自燃情况，他们将室温下的氢气加热到575 K后倒入部分封闭的管中，只有在从部分封闭端引入冲击波反射后才观察到氢气自燃。
2005年，Bazhenova、Bragin、Golub、Scherbak和Volodin（2005）、Bityurin、Bocharov和Filimonova（2005）以及Liu、Tsuboi、Sato、Higashino和Hayashi（2005）三篇论文几乎同时发表，均致力于对氢气进入氧化剂这一特定情况下扩散点火可能性的数值研究，但研究结论并不完全一致。
2006年，Mogi、Shiina、Kim和Horigushi进行了实验研究，他们使用破裂盘将高压氢气快速排入直径5 - 10mm、长度3 - 185 mm且一端开口的管中，改变破裂压力（40 - 400 bar），在延伸管中观察到了氢气射流的点火现象。同年，Hayashi等人对高压氢气射流与空气接触时的自燃进行了数值分析，并证明了其可能性。
2. 研究问题陈述
2.1研究潜在点火因素
在处理高压容器中的氢气时，如减压、旁路阀门误操作或紧急阀门启动等情况，可能导致氢气被点燃，进而引发燃料 - 空气混合物爆炸。本研究聚焦于一个潜在的点火因素——在冷膨胀气体射流前形成的初级冲击波。该冲击波温度急剧上升，可点燃在接触面上形成的氢 - 空气混合物。这种自燃现象发生的条件是，燃料气体在高温下的排放时间足够长，以使氢气与空气充分混合，并且超过化学反应的诱导时间。
2.2前人研究结论差异
Bityurin等人通过数值求解Navier - Stokes方程，考虑了扩散和化学反应动力学，描述了冷燃料与常压热空气的轴对称反向射流之间的相互作用，在初始气流温度为600 K、气体射流温度为300 K的条件下，经过15 ms延迟，接触区域混合物温度急剧上升至2000 K，表明了自点火的可能性。而Liu等人基于其数值计算结果得出氢射流自点火不可能的结论，但他们的计算针对特定的1 mm孔尺寸，其结果不能推广到其他情况，因为气体升温至高温所需时间与化学反应诱导时间的比较因条件而异。实际上，作者已证明（Bazhenova, Bragin, Golub & Ivanov, 2006），当孔尺寸增加到4 mm时，在与Liu等人实验相同的初始压力下，氢射流自点火是可能的。
3. 脉冲射流结构研究
3.1实验设置
实验装置由连接到长120 cm、直径80 cm真空室的激波管组成。在激波管末端（横截面为\(4×4 cm²\)）安装带有音速喷嘴的法兰。通过IAB - 451设备获取一系列纹影照片和干涉图，帧尺寸为\(6×6 cm²\)。
3.2脉冲射流形成与结构要素
当气体射流以一定速度进入周围空气时，由于气体的机械能在非等熵条件下转化为热能，会在介质中形成冲击波（压力跃升）。例如，以声速排放到空气中的氢气会产生Mach 5的冲击波。随后的加热导致在接触表面（流出气体与被冲击波加热的空气之间的边界）形成温度和密度跃升，接触表面强烈湍流，促进了冷流出气体与冲击波后的热空气混合（Golub, 1994）。脉冲气体射流的发展可模拟为在激波管中被反射冲击波压缩的气体，通过另一端的孔口进入储罐。典型的干涉图显示，脉冲射流主要由以下元素组成：在周围气体中传播的初级冲击波、冲击波加热的射流与压力室中气体之间的接触点或界面（含涡环\((B₁, B₂, B₃)\)）、在流出气体中形成的次级冲击波以及喷嘴边缘射流等熵膨胀核心\((I)\)，这些元素也在数值模型计算结果中得到体现。
3.3数值模拟混合情况
为检测排出的冷氢气与初级冲击波后的热空气的混合区域，对理想气体的非稳态流动进行数值模拟。采用二阶近似的Steger - Worming格式求解Euler方程来模拟流出过程，考虑动力学和混合两个部分。通过特定方程计算无量纲时间，其中涉及气体的比热比、声速和孔口特征尺寸（Bazhenova et al., 2005）。对非反应气体的Euler方程求解表明，冷氢气与冲击波后的热空气有可能混合，从图2中顶部（空气）和底部（氢气）的密度分布可看出存在含氢和空气的区域，计算接触表面的混合过程需要考虑多组分扩散。
图1 超声喷嘴输入压力为34巴时的发展：(1)接触面，(2)主冲击波，(3)二次冲击波，(I)等熵膨胀核；（B1、B2、B3）涡旋环。(a)、(b)、(c)是指出院后40、64、98 ms的时刻。
4. 反应气体排放数值模拟
4.1模型基础与计算方法
氢射流自点火计算基于一个物理化学模型，该模型涉及粘性气体的气体动力学传输、氢氧化动力学、多组分扩散和热交换。描述化学动力学的方程组包含九个方程，如\(H₂ + O₂ = 2OH\)、\(H + O₂ = OH + O\)等（Gontkovskaya, Gordopolova & Ozerkovskaya, 1988）。转移系数根据分子动力学理论描述，计算采用二维（轴对称）公式（附录A）。本研究使用的数值方法基于文献（Belotserkovsky & Davydov, 1982）中详细描述的Eulerian和Lagrangian阶段分裂方法，为解决燃烧气体动力学问题，对该方法进行了改进，以实现对空间坐标具有二阶精度的稳定计算。化学动力学方程组使用Gear方法求解，算法用FORTRAN - 90实现。
图2。1.5个无维单位时环境气体-氧（上）和排放气体氢（下）的密度。初始条件为：压力比200，温度比1，两种气体的比热比1.4。
4.2模拟结果分析
自点火条件与温度特征：对从储罐排出的氢射流的混合和燃烧进行模拟，参数包括初始温度(T = 300 K)、压力(P = 150 - 400 bar)、孔直径(d = 1 - 4 mm，同时考虑初级冲击波后的热空气。数值模拟结果显示，在容器内气体压力为150 - 400 bar时，空气中形成的冲击波强度足以使压缩氢射流前沿后的氢 - 空气混合物自点火，点火前沿的局部温度超过2500 K，约为相同条件下注入化学惰性混合物时空气中冲击波温度的两倍。
图3 典型的水浓度等值线图（Z和X是从孔中心沿射流轴测量的距离）。水浓度归一化为化学计量氢-空气混合物完全燃烧后形成的总量。等值线1-4分别对应70%、30%、10%和2%。
孔尺寸和温度对自点火的影响：模拟结果表明，射流自点火发生的条件为容器内初始氢压约为150 - 400 bar、氢和周围气体（空气）温度为300 K及以上、孔径大于3 mm（图5）。稳定的自点火发展与孔尺寸密切相关，孔径减小会导致点火过程崩溃（图6），如在类似初始温度和压力条件下，半径为2.6 mm或更小的孔计算结果所示。同时，过程性质强烈依赖于氢气和周围空气的初始温度，例如，当初始压力为200 bar、孔径为2 mm时，若环境初始温度升高到400 K，射流也会发生自点火（图7）。
图4 沿氢气射流的温度分布。Z是沿着射流轴从孔的中心测量到的距离。
图5 在时间上的最高温度。燃烧稳定。压缩气体及周围空气的初始温度T¼300 K，初始压力P¼200 bar，d¼8 mm。
计算误差对结果的影响：需要注意的是，冲击波前沿后的燃烧熄灭不仅与物理因素有关，还与计算误差有关。初步模拟结果显示，使用单元尺寸远大于火焰前沿宽度的计算网格进行燃烧和爆轰模拟时，会明显低估燃烧区，并导致火焰逐渐熄灭。因此，上述氢射流自点火模拟采用了单元尺寸为0.04 - 0.01 mm的计算网格，该尺寸与氢 - 空气混合物的火焰前沿宽度相当，在此范围内，网格尺寸的变化不会导致结果发生显著变化。
5. 氢气射流自点火实验研究
5.1实验设置
实验装置（图8）包括氢气供应系统（1），配备阀门和压力计（2）用于测量氢气储罐（3）中的压力，隔膜块（4,5）一侧连接储罐，另一侧连接低压室（6），低压室再连接爆破室（7）。氢气储罐由容器（1）充入氢气，储罐出口由0.1 - 0.2 mm宽的铜隔膜封闭。当储罐内压力达到隔膜破裂临界值时，隔膜破裂，氢气流入低压室，形成初级冲击波。使用三个FD - 256光测量仪，一个安装在低压室，另外两个安装在爆破室，用于检测燃烧点火。
5.2实验结果
实验结果（图9）用于绘制图表，以确定自点火发生所需的最小储罐压力与低压室长度的关系（图10）。与Mogi等人（2006）的研究不同，在本研究的管内（直径5 mm、长度185 mm），在压力小于50 bar时观察到了自点火现象。
图6 在时间上的最高温度。燃烧不产生。压缩气体及周围空气的初始温度T¼300 K，初始压力P¼400 bar，d¼1 mm。
6. 研究结论
1. 可燃气体自点火的可能原因是初级冲击波加热周围氧化剂，导致在接触面上的气体点火，该接触面将排出的气体与周围氧化剂分隔开。
2. 射流自点火的条件为：容器内初始氢压约为150 - 400 bar，氢和周围气体（空气）温度为300 K及以上，孔径大于3 mm。若在类似初始温度和压力下，孔径为2.6 mm或更小，则不会发生燃烧。
3. 观察到的过程性质强烈依赖于氢气和空气的初始温度，例如，当初始压力为200 bar、孔径为2 mm时，若环境初始温度升高到400 K，射流会发生自点火。
4. 在隔膜破裂或快速作用阀门打开的情况下，可能出现氢气在管内扩散点火的临界条件。
