氢安全相关燃烧科学的最新进展：全面解析与洞察
强烈推荐看原文，原文写了一百多页，涉及氢安全和氢燃烧的，非常全面：Recent advances in combustion science related to hydrogen safety在文章下面的左下角选择阅读原文，即可链接到原文。（强烈！！！！推荐）氢能源发展与安全问题在全球致力于实现净零排放的大背景下，氢能源作为关键支柱，正以前所未有的速度融入各个领域。从交通到能源存储，从商业应用到家庭使用，氢能源的身影无处不在。但氢能源也存在一些问题，其低体积能量密度给运输和存储带来挑战，而且氢气具有宽 flammability range（4 - 75%）、低 ignition energy（0.02J）以及高火焰传播速度等特性，导致其在使用过程中存在较高的安全风险，如欧洲 Hydrogen Incident and Accident Database（HIAD 2.0）数据显示，75% 的涉氢事件由氢系统引发，79% 的事件中氢气被点燃，其中 48% 涉及爆炸。这些数据警示我们，氢能源的安全问题不容忽视，深入研究与氢安全相关的燃烧科学迫在眉睫。点火现象：复杂多样的引发机制氢气的点火过程受多种因素影响，涵盖混合物成分、热力学状态、点火源特性等多个方面。燃烧化学：氢气 - 氧气 / 空气混合物的化学反应通常涉及 8 - 12 种物质和 20 - 30 个可逆反应。其 ignition delay - time 受温度和压力影响显著，在高温下，氧化过程主要由链分支反应主导；低温时，则由涉及\(HO_2\)和\(H_2O_2\)的反应主导。例如，通过对不同氢气 - 空气混合物点火延迟时间的计算发现，随着压力增加，交叉温度向高温移动（101kPa 时约为 1000K，3040kPa 时约为 1400K），这一现象对理解氢气自燃等点火现象至关重要。 多种点火方式反射激波点火：反射激波点火分为 “强” 和 “温和 / 弱 / 远程” 两种模式。早期实验通过纹影成像等技术对其进行研究，发现高温时强点火发生在端壁附近，形成爆炸波；低温时则出现分布式点火，形成多个火焰核。数值模拟从一维到二维、三维，逐步揭示了反射激波与边界层相互作用等复杂流场结构对点火的影响。例如，二维模拟发现粘性加热和压力功在不同阶段主导局部加热，影响点火模式。 自燃：历史数据表明，加压氢气意外泄漏时可能在无明显点火源的情况下自燃。实验研究发现，通过管道释放的氢气，其自燃倾向随初始压力和管道长度增加而增加，随氢气稀释而降低。数值模拟虽能捕捉到一些现象，但由于实验与模拟在初始条件和管道几何形状上的差异，二者的定量比较仍存在困难。 热表面点火：热表面点火在工业场景中较为常见。实验研究了不同形状热表面（如丝、球、圆柱）的点火特性，发现点火阈值受热表面尺寸、相对速度、混合物当量比和表面反应性等因素影响。例如，直径较小的热丝更容易点燃氢气 - 空气混合物，且点火阈值通常在 1000K 左右（环境压力条件下）。 电火花和激光火花点火：电火花和激光火花点火过程复杂，涉及等离子体、化学动力学和流体力学的相互作用。研究表明，火花点火具有统计性质，最小点火能量（MIE）受多种因素影响，如混合物成分、电极几何形状、间隙距离等。在正常压力和温度下，氢气 - 空气混合物的 MIE 在化学计量比附近为几十微焦，接近可燃极限时为几毫焦。 射流火焰：特性、研究与挑战氢射流火焰的特性受多种因素影响，相关研究为理解其行为提供了重要依据，但仍存在一些未解决的问题。实验研究：实验表明，氢射流火焰的稳定性与喷嘴直径、释放压力等因素密切相关。例如，Mogi 等人发现，0.1 - 0.2mm 直径的喷嘴在高达 40MPa 的压力下仍无法产生稳定火焰。同时，火焰长度随质量流量和喷嘴直径的增加而增加，且在不同压力条件下，火焰的辐射特性也有所不同。Schefer 等人的研究还观察到火焰从点火位置向上下游传播的现象，这对理解火焰的发展和传播机制具有重要意义。 数值模拟：CFD 数值模拟通常采用伪直径方法绕过高压释放的激波区域。研究发现，湍流强度对火焰长度影响有限，且不同研究在预测火焰长度和辐射特性方面取得了一定的一致性。然而，由于实际应用中射流火焰的复杂性，如近场区域的精细特征难以模拟，目前的数值模拟仍存在一定的局限性。 存在问题：目前对氢射流火焰的研究主要集中在开放配置，对封闭空间内的研究较少。此外，关于冲击氢射流火焰对燃烧特性、火焰结构和热危害的影响，相关研究也较为缺乏，这为该领域的进一步发展提出了挑战。 爆燃：压力危害与研究进展爆燃是氢气延迟点火引发的主要危害之一，会产生压力，可能导致爆炸。对爆燃的研究涵盖多个方面，旨在更好地理解其机制并制定相应的安全措施。火焰速度与加速：氢气的层流火焰速度较高，且在贫氢燃烧系统中，由于分子质量扩散率超过热扩散率（Lewis 数小于 1），火焰速度会大于相应的未拉伸层流火焰速度。自加速球形火焰在贫混合物中经常出现，这一现象与热扩散和优先扩散导致的局部燃烧速率增加有关。实验通过纹影摄影等技术观察火焰传播，发现火焰速度随半径增加而增加，且不同当量比下火焰的加速特性存在差异。 实验与数值研究：一系列大规模实验对氢爆燃进行了研究，如 Takeno 等人的实验观察到压力迅速上升，火焰传播速度高达 978m/s。数值模拟则使用了多种 CFD 代码和燃烧模型，如火焰表面褶皱模型、EDC 模型等，以捕捉爆燃过程中的各种现象。然而，由于爆燃过程涉及多物理场和多尺度相互作用，目前的模型在预测精细火焰特征方面仍存在一定的局限性。 泄爆研究：泄爆是减轻爆炸危害的重要措施，但设计有效的泄爆系统具有一定的挑战性。实验研究了不同因素对泄爆过程的影响，发现非均匀混合物会导致更强的爆炸，而现有的标准（如 EN - 14994 和 NFPA - 68）在考虑氢气爆炸的物理机制和验证方面存在不足。为此，研究人员提出了一些基于物理的经验模型，如 Bauwens 等人的模型和 Sinha 等人的模型，以改进泄爆系统的设计。 火焰加速与爆燃转爆轰：复杂过程与关键因素火焰加速（FA）和爆燃转爆轰（DDT）是氢安全中最严重的燃烧事件，其过程受多种因素影响，研究这些因素对于预防和控制此类事件至关重要。受限无阻环境：在光滑管道中，FA 和 DDT 过程可分为火焰加速和爆轰起始两个阶段。火焰加速过程中，火焰经历球形、指形、郁金香形等多种形态变化，其速度变化受多种因素影响，如混合物成分、初始热力学状态等。爆轰起始通常通过局部爆炸形成强冲击波来实现，其位置多在火焰刷、边界层等区域。实验和数值研究表明，横向浓度梯度会缩短 DDT 的传播距离，而初始压力和温度的增加通常会促进 FA 和 DDT 的发生。 受限受阻环境：在受阻管道中，火焰与障碍物的相互作用为火焰加速提供了强大的机制。FA 过程可分为早期与流动相互作用和后期火焰 - 激波相互作用两个阶段，最终可能导致爆轰。爆轰起始的机制包括 Zeldovich 梯度机制、压力脉冲机制等，但这些机制在不同研究中存在争议。实验和数值研究还发现，障碍物的阻塞比、间距、布局和形状等因素对 FA 和 DDT 过程有重要影响，例如，增加阻塞比通常会促进 FA，但过高的阻塞比可能会延迟 DDT 或阻止爆轰传播。 半受限和非受限环境：在半受限环境中，研究发现火焰加速和 DDT 的发生与混合物的反应性、层高度等因素有关。在非受限环境中，虽然大体积氢气云爆炸引发爆轰的机制尚不完全清楚，但实验和数值研究表明，拥堵和湍流在其中起到了重要作用。例如，Groethe 等人的实验在特定条件下引发了 CJ 爆轰，而 Heidari 等人的数值模拟表明，在无拥堵的情况下，大体积蒸汽云中也可能引发爆轰。 爆轰：极端燃烧现象的深入探究爆轰是最极端的意外燃烧事件，对其特性和机制的研究对于安全评估至关重要。传播特性：爆轰波并非如理论预测的那样是平面、一维和稳定的，而是具有三维和非稳态的特征，其前沿呈现出细胞结构。通过实验和数值模拟，研究人员对爆轰波的结构和稳定性有了更深入的理解。例如，OH - PLIF 技术的应用揭示了爆轰波反应区的详细结构，但该技术存在一定的局限性，如激光光吸收导致的信号不完整。近年来，NO - LIF 等新技术的出现为研究爆轰波结构提供了更有效的手段。 近极限爆轰：近极限爆轰的定义和预测是一个复杂的问题，目前尚无统一的标准。实验通过改变通道特征长度、初始压力等条件来研究近极限爆轰的传播特性，发现随着通道尺寸减小，损失增加，爆轰速度赤字增大，最终可能导致爆轰失败。理论模型如声学理论和准稳态爆轰模型可用于预测爆轰极限，但这些模型在预测高度不稳定爆轰模式（如口吃和疾驰爆轰）方面仍存在不足。 直接起爆：直接起爆是指通过点能源或激波聚焦等方式直接引发爆轰。点能源起爆存在亚临界、超临界和近临界三种状态，其临界起爆能量受混合物成分、初始温度和压力等因素影响。激波聚焦起爆则与入射激波的马赫数、反射器的尺寸和形状等因素有关。理论模型在预测临界起爆能量方面存在较大差异，实验数据的准确性也受到多种因素的影响，这使得直接起爆的研究仍面临挑战。 研究总结与展望过去 15 - 20 年，氢安全相关燃烧科学研究取得了显著进展，但仍存在一些知识空白和挑战。在点火现象研究中，数值模拟与实验的定量比较有待加强；射流火焰研究在封闭空间和冲击火焰方面存在不足；爆燃研究的模型在预测精细火焰特征方面需改进；火焰加速和爆燃转爆轰研究缺乏定量信息和统一的描述；爆轰研究在近极限爆轰和直接起爆方面存在理论和实验上的挑战。未来的研究应致力于解决这些问题，通过更精确的实验和数值模拟，深入理解氢燃烧的复杂过程，为氢能源的安全发展提供更坚实的理论基础和技术支持。来源：气瓶设计的小工程师
