氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究*

程关兵,李俊仙,李书明,瞿红春

(中国民航大学航空工程学院，天津 300300)



氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究*

程关兵,李俊仙,李书明,瞿红春

(中国民航大学航空工程学院，天津 300300)

通过采用压力传感器和烟灰板两种测试设备，开展了常温常压下氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的实验研究。实验过程中观察到自持爆轰波，爆轰速度比值在0.99～1之间，爆轰压力比值在0.8～1.2之间。爆轰胞格尺寸在10～50 mm范围内，建立了爆轰胞格尺寸和化学诱导长度的关系式。随着丙烷不断添加，爆轰速度减小，而爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快，而后变缓。因为起初氢气摩尔分数较大，混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能；而后因丙烷摩尔质量较大，丙烷逐渐起主要作用，混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。

爆炸力学；爆轰压力；压力传感器；氢气；丙烷；爆轰速度；爆轰胞格尺寸

与常规碳氢燃料相比，氢气具有热值高、燃烧产物中不含碳氢化合物和二氧化碳等优点，被视为一种替代能源载体[1-2]。然而，氢气某些特性(较高反应活性、较低点火能、较宽泛的燃烧浓度范围以及易于扩散等)，使得氢气在发生泄漏后，在火源点燃后火焰不断加速，在某些特定条件下(如障碍物、较强的紊流水平以及较高的初温初压等)可能出现湍流燃烧、爆燃甚至爆轰等情况[3]。因此，氢气在存贮、运输、使用和分配过程中可能存在安全隐患。近年来，研究者尝试在氢气/空气预混气体中添加少量链烷(如甲烷和乙烯)，以此降低前者反应活性和爆轰性能，一定程度上抑制了氢气爆炸发生[4-10]。如O.Bozier等[8]、R.Sorin等[9]通过向氢气/空气预混气体添加少量甲烷，爆轰胞格尺寸λ也相应地增加。因此，向氢气/空气混合气体中添加少量的链烷不失为一种减少氢气爆炸灾害的方法。

当前，有关氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的研究仍很少。K.Takita等[6]、C.Matignon等[7]、O.Bozier等[8]、R.Sorin等[9]和N.Chaumeix等[10]分别从不同角度开展二元燃料氢气/甲烷、氢气/乙烷、甲烷/乙烷和空气混合气体爆轰特性的实验研究，获得一定量的上述混合气体爆轰性能参数，如爆轰速度v、压力p以及胞格尺寸λ等。本文中，以常温常压下二元燃料氢气/丙烷和空气预混气体为研究对象，采用压力传感器和烟灰板两种测试设备，测量表征该混合气体的爆轰性能参数爆轰速度v、压力p以及胞格尺寸λ等，建立胞格尺寸λ和Zeldovich-Neumann-Doring(ZND)化学诱导区长度Li的关系式，以期在氢气爆炸灾害预防方面积累一定量的实验数据。

1 实验设备和测试系统

实验系统包括爆轰实验管道、数据采集分析系统、测试系统、点火系统和配气系统等，如图1所示。所有实验均在长度12 m、管径92 mm和两端封闭的不锈钢圆管中进行。该爆轰实验管道由左边(3 m)和右边(9 m)两部分组成。管左边部分上有9个用于安装压力传感器的安装孔，每两个相邻孔间距为10 cm；管右边末端部分有2个用于安装压力传感器的安装孔，两个相邻孔间距为50 cm。为了加速火焰，采用了阻塞比0.5、长度3 m以及铜质的Schelkin螺纹管。测试系统包括压力传感器、数据采集线、与压力传感器相连的放大器以及数据采集系统(Graphtec GL1100硬盘式数据收集记录仪)等。共采用了11个Kistler 603B型石英压电式压力传感器，响应时间约为1 μs。其中，在管左边部分安装了9个压力传感器，用于记录火焰在Schelkin螺纹管影响下加速过程中前锋面到达时间和压力。在管右边末端部分安装的两个压力传感器，用于确定自持爆轰速度和压力。另外，在传感器对面布置有烟灰板，用于记录爆轰波轨迹，以此来确定胞格尺寸。在实验管道左端面中心位置处，安装了1个汽车通用火花塞点火装置，点火能量约为15 mJ，点火装置与相应的触发装置相连。

图1 实验设备系统图Fig.1 Sketch of experimental setup

在常温常压下，采用按一定比例配比的氢气、丙烷和空气混合气体。相关参数定义为：Φ[xH2+(1-x)C3H8] + (5-4.5x)[O2+3.76N2]。其中，Φ为混合气体的化学当量比，x为在二元燃料氢气/丙烷中的氢气摩尔分数。本文中混合气体，Φ=1.1，0.5≤x≤1.0。

对于每种混合气体，实验至少重复3次，以保证实验结果可重复性。实验时，首先对爆轰实验管道抽真空，将通过分压法配好的预混气体填入管道中，发出点火信号，点燃混合气体。火焰在Schelkin螺纹管作用下不断加速，最后到达自持爆轰波。通过分析爆轰实验管道右端部分上的压力传感器所得的压力信号，数据采集系统对爆轰速度v和压力p进行测量和分析。通过管末端的烟灰板测量该混合气体的爆轰胞格尺寸λ。

2 结果与分析

2.1 爆轰速度和压力

2.1.1 爆轰速度和压力的测量

图2 爆轰速度和压力测量原理图Fig.2 Example of determination of detonation velocity and pressure for the mixtures

通过位于爆轰管道右端的两个压力传感器(T10和T11)记录爆轰波到达传感器时刻，可获得爆轰速度v和压力p的实验值，测量原理如图2所示。对于爆轰速度，测量爆轰波到达传感器的时间t，可求得平均位置处的平均速度v，即v=l/(t11-t10)，其中t10、t11分别为爆轰波到达第10个和第11个传感器的时刻。l是第10个和第11个传感器的距离间隔，l=50 cm。对于爆轰压力，当爆轰速度达到理论Chapman-Jouguet (CJ) 值的99%及其以上时，爆轰波后压力pfront为爆轰压力p的80%左右[11]。本文中采用此法确定爆轰压力p的实验值。图2中，通过该方法测量H2/C3H8-Air混合气体(Φ=1.1，x=0.95)的爆轰速度和压力分别为1.938 km/s和1.75 MPa。

2.1.2 爆轰速度

为了更好地分析所获得的实验结果，结合Chemkin程序和Gri Mech 3.0[12]化学动力机理，计算氢气和丙烷的质量分数w(H2)和w(C3H8)、CJ爆轰速度vCJ、压力pCJ和ZND化学诱导区长度Li，结果如表1所示。

表1 混合气体爆轰性能参数的理论值Table 1 CJ detonation theoretical values of the studied mixtures

图3是实验所测得的爆轰速度v和爆轰速度比值v/vCJ随氢气摩尔分数x变化的关系图。由图3可知：(1)实验所测得的爆轰速度总是略低于CJ爆轰速度，其比值v/vCJ在0.99～1之间，即在管末端已经达到自持爆轰波。(2)随着氢气摩尔分数x增加，爆轰速度v从1.832 km/s增加到2.005 km/s。但爆轰速度增加起初较慢，而后增加较快。因为丙烷摩尔质量大于氢气的摩尔质量，当氢气摩尔分数x增加时，丙烷质量分数w(C3H8)起初下降程度较小，而后减少程度较快，如表1所示。当x从0.5增加到0.8时，丙烷质量分数w(C3H8)从95.65%逐渐减小到84.62%；但当x从0.8增加到1.0时，丙烷质量分数w(C3H8)下降较明显。

图3 爆轰速度Fig.3 Detonation velocity

图4 爆轰压力Fig.4 Detonation pressure

2.1.3 爆轰压力

图4表示实验所得的爆轰压力p和爆轰压力比值p/pCJ随氢气摩尔分数x变化的关系图。由图4可知：(1)爆轰压力实验值p总体趋势随氢气摩尔分数x增加而减小，但爆轰压力减小起初较慢，而后较快。(2)爆轰压力p变化在1.3～2.2 MPa之间。(3)爆轰压力比值p/pCJ变化在0.8～1.2之间，即p=(1±20%)pCJ, 爆轰压力p的实验值和理论pCJ的差值可能是由通过爆轰波后压力pfront确定爆轰压力p的方法所引起的。

2.2 爆轰胞格尺寸

2.2.1 胞格尺寸的测量

采用烟迹法可获得混合气体爆轰胞格尺寸λ。在实验过程中，在爆轰管道右端两个压力传感器(T10和T11)对面位置处放置烟灰板，记录爆轰波传播轨迹。在烟灰板内圆柱面放置圆形刻度尺，并对烟灰板拍照，可测量爆轰胞格尺寸的大小。为了减小测量误差，选取烟灰板中段部分作为测量段。对于每种混合气体，测量胞格数量不低于50个。当丙烷添加量较大时，需多次重复实验，以便获得足够多的胞格实验数据。图5是3种不同组分燃料(Φ=1.1;x=0.6，0.7,0.95)的典型爆轰胞格结构图。由图5可知：随着丙烷不断增加，爆轰胞格尺寸逐渐增加，胞格结构趋于规则。

2.2.2 胞格尺寸的变化

图6是爆轰胞格尺寸λ、胞格比值λ/λ1随氢气摩尔分数x变化的关系图。λ1是混合气体(Φ=1.1,x=1)的爆轰胞格尺寸，定义胞格比值λ/λ1主要用于判断胞格尺寸随x变化程度。由图6可知：(1) 爆轰胞格尺寸变化在10～50 mm 范围内。对于本文中混合气体，爆轰胞格尺寸最大值小于爆轰实验管道内径，且管道足够长，因此，实验中能观察到稳定自持爆轰波。(2) 随着氢气摩尔分数减少，胞格尺寸逐渐增加。起初增加快，而后增加逐渐放慢。当x从1.0减小到0.8时，爆轰胞格尺寸增加了约2.5倍；而当0.5≤x≤0.7时，胞格比值λ/λ1变化在4.5～5范围内，即胞格尺寸λ为45～50 mm，这与常温常压下、当量比为1时丙烷/空气混合气体的爆轰胞格尺寸大小相当。由表1和图6可知，这种变化趋势主要是因为丙烷摩尔质量较大，但氢气摩尔分数x起初较大，爆轰胞格尺寸较小，混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能。随着x进一步减少，丙烷的摩尔质量分数逐渐增加，丙烷进一步降低了原混合气体反应活性，前驱激波波后温度增加，延长了化学诱导时间和长度。丙烷逐渐起到主要作用，混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。

图7 化学诱导长度Fig.7 Chemical induction length

2.3 胞格尺寸和化学诱导长度的关系

图7是ZND化学诱导长度Li和比值λ/Li随氢气摩尔分数x变化的关系图。对所研究的混合气体，ZND化学诱导长度Li计算结果见表1。图7中所示的爆轰胞格尺寸为多次实验测量值的平均值。由图7可知：(1)ZND诱导长度Li随氢气摩尔分数增加而减小。(2)比值λ/Li变化在37～43范围内，即λ= (1±10%)40Li。(3)比值λ/Li变化与氢气摩尔分数x无关。

3 结 论

(1)实验中观察到稳定自持爆轰波。

(2)往氢气/空气混合气体中添加丙烷削弱了前者的爆轰性能。随着丙烷不断增加，氢气摩尔分数减少，爆轰速度减小，爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快，而后逐渐变缓。因为丙烷摩尔质量较大，但起初氢气摩尔分数x较大，混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能。随着x减少，丙烷摩尔质量分数逐渐增加，丙烷逐渐起主要作用。丙烷增加，提高了前驱激波波后温度，延长了化学诱导时间和长度，混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。

(3)爆轰胞格尺寸和ZND化学诱导长度的比值约为40。

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(责任编辑 丁 峰)

An experimental study on detonation characteristics of binary fuels hydrogen/propane-air mixtures

Cheng Guan-bing, Li Jun-xian, Li Shu-ming, Qu Hong-chun

(AeronauticalEngineeringCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

The paper is aimed to experimentally probe the detonation characteristics of the binary fuel hydrogen/propane-air mixture. The experiments were conducted in an obstructed cylindrical tube with a 92-mm inner diameter and a 12-m length at normal pressure and temperature. Eleven instrument ports and eleven piezoelectric pressure transducers were adopted on the tube wall surface. A Schelkin spiral with a blockage ratio of 0.5 and a pitch with inner diameter as the tube and with the length of 3 m were used to accelerate the flame propagation until the detonation initiated. The studied binary fuel mixtures with equivalence ratio of 1.1 and hydrogen molar fraction varying from 0.5 to 1.0 were prepared by the partial pressure and ignited via a spark plug at about 15-mJ discharge energy. The detonation characteristic parameters such as velocity, pressure and cell size were achieved with pressure transducers and smoking foils, respectively. It can be therefore concluded that the self-sustained detonation is observed as follows: (i) detonation velocity ratiov/vCJvaries from 0.99 to 1.0 and pressure ratiop/pCJchanges from 0.8 to 1.2; (ii) detonation cell size varies from 10 mm to 50 mm. When propane is added to hydrogen/air mixtures, the detonation velocity decreases, but the pressure and cell size inversely increase. The variation trends of the detonation parameters at the beginning change quickly because the detonation characteristics of hydrogen/propane-air mixtures are similar to those of hydrogen/air due to the larger hydrogen molar fraction. Afterwards, the trends gradually slow down because the increasing molar fraction of propane with heavier molecular mass in the mixtures which plays a dominant role in the binary fuels. At last, a relationship between detonation cell size and ZND chemical induction length was obtained. Thus, our conclusion can provide the experimental data in the hydrogen explosion hazard prevention.

mechanics of explosion; detonation velocity; piezoelectric pressure transducer; hydrogen; propane; detonation velosity; detonation cell size

10.11883/1001-1455(2015)02-0249-06

2013-07-24；

2014-04-23

中央高校基本科研业务费专项项目(ZXH2012J001)

程关兵(1977— )，男，博士，讲师，forrest_cgb@163.com。

O381 国标学科代码： 1303510

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