氫氣定容燃燒的實(shí)驗(yàn)研究＊

暴秀超，劉福水，陳 超

（1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都610039；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京100081）

氫氣作為21世紀(jì)理想的替代能源，在工業(yè)發(fā)展中起著越來越重要的作用。但由于氫氣點(diǎn)火能量低、燃燒速度快、著火范圍廣等特性，很容易在運(yùn)輸和存儲的過程中被引燃，也就是發(fā)生定容燃燒（定容爆炸），這是制約氫氣利用的一個很嚴(yán)重的安全隱患［1－2］。此外，對于氫氣內(nèi)燃機(jī)而言，氫氣定容燃燒特性是氫內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的基礎(chǔ)，因此，研究氫氣定容燃燒非常必要。國內(nèi)外研究者對此也做過一定的研究，但他們主要的研究內(nèi)容是常溫常壓下不同濃度氫氣燃燒極限及燃燒爆壓，而對于較高溫度、較高壓力、大范圍燃空當(dāng)量比（燃燒前氫氣的配比）下的氫氣定容燃燒特性數(shù)據(jù)不足，燃燒過程的整體分析還處于空白［3－5］。本文中擬在大范圍調(diào)節(jié)初始壓力、初始溫度、燃空當(dāng)量比的條件下，分析氫氣定容燃燒時的壓力變化過程，揭示爆壓及爆炸常數(shù)的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由球形定容燃燒彈、紋影光路系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等6個部分組成，如圖1所示。其中球形定容燃燒彈的內(nèi)徑為400mm，在相對應(yīng)的兩側(cè)安裝有直徑100mm的精加工的光學(xué)石英玻璃，為紋影法提供必要的光學(xué)通道，其通道直徑為76mm，燃燒彈內(nèi)布置中心電極由點(diǎn)火系統(tǒng)來點(diǎn)燃可燃?xì)?。紋影光路系統(tǒng)布置成Z形，2個主反射鏡直徑為100mm，焦距為100cm。利用低壓傳感器來較精確的測量配氣分壓，其量程可調(diào)，精度達(dá)100Pa。高速攝像機(jī)為TRI公司的Phantom v7.3，拍攝速度最高為2×105s－1。壓力數(shù)據(jù)采集使用Kistler公司的石英壓電傳感器和NI公司的PCI－6133數(shù)據(jù)采集卡。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 壓力變化過程

火焰在定容燃燒時，如果假設(shè)系統(tǒng)絕熱，火焰燃燒時的壓力升高比即為燃燒質(zhì)量比。因此，壓力數(shù)據(jù)可以一定程度上反映燃燒的過程。理論上，在氣體絕熱定容燃燒過程中隨著燃燒的不斷進(jìn)行壓力也不斷穩(wěn)步升高，而當(dāng)燃燒結(jié)束時壓力將保持不變［6］。在實(shí)際的定容燃燒系統(tǒng)中傳熱是不能避免的，在火焰沒有到達(dá)壁面以前，傳熱過程都是從未燃?xì)鈧飨虮诿?，因此傳熱量很小，且由于未燃區(qū)的溫度隨著燃燒的進(jìn)行不斷的升高使得傳熱量也相應(yīng)有所增加，當(dāng)火焰到達(dá)壁面后已燃?xì)庵苯酉虮诿鎮(zhèn)鳠?，由于已燃?xì)鉁囟雀撸詡鳠崃枯^大。

實(shí)際定容燃燒的壓力變化過程如圖2所示，圖中顯示了初始溫度為300K、初始壓力為0.3MPa、燃空當(dāng)量比為0.6工況下氫氣定容燃燒過程的壓力曲線。變化過程可總體概括為：壓力先保持不變，而后不斷增加，在達(dá)到峰值前后壓力升高量較小，最后壓力較線性的降低，并且在壓力升高的中后期出現(xiàn)壓力波動。結(jié)合燃燒過程對此燃燒壓力曲線分析得：火花跳火后可燃混合氣開始燃燒，由于點(diǎn)火擊穿電壓較高對壓力信號會有短暫的干擾；在火焰燃燒初期（圖上時間軸0～6ms對應(yīng)的壓力線），燃燒鋒面從點(diǎn)燃源不斷的向外增大，并且邊燃燒邊膨脹，但由于此時已燃混合氣占總氣體的比例很小使得未燃?xì)怏w被壓縮量幾乎可以忽略不計(jì)，壓力也幾乎不變，因此可以看作等壓燃燒階段；隨后，壓力不斷增加（圖上時間軸6～25ms對應(yīng)的壓力線），火焰也是邊燃燒邊膨脹，但由于已燃?xì)怏w占總體積的比重加大，使得未燃?xì)怏w在燃燒前被壓縮，即未燃?xì)怏w的壓力和溫度得到了增加，此外還可以很明顯的看出此壓力線大約在19ms時刻不再光滑而是出現(xiàn)了高頻振蕩，且隨著燃燒的進(jìn)行有振幅加強(qiáng)的趨勢；而后，壓力曲線經(jīng)歷了峰值附近變動較小階段，此時火焰的膨脹速度很小，在燃燒完成時膨脹速度降為零，如果不考慮傳熱，壓力的峰值點(diǎn)便為燃燒的終止點(diǎn)。但由于火焰不穩(wěn)定的影響，火焰鋒面不能同時到達(dá)壁面，使得最后的火焰燃燒面積越來越小，再加上此時的傳熱量很大，所以通常會使得燃燒終點(diǎn)在壓力峰值點(diǎn)之后；最后，在燃燒完以后，壓力曲線出現(xiàn)了線性的降低階段（圖上時間軸大約37ms以后對應(yīng)的壓力線），這是由于已燃?xì)獾南蛲鈧鳠岫棺陨硎艿嚼鋮s引起的。

圖2 氫氣定容燃燒時燃燒壓力隨時間的變化Fig.2 Combustion pressure varied with time under constant volume of hydrogen

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)的氫氣燃燒壓力隨時間的變化Fig.3 Combustion pressure varied with time under different volume fractions

圖3顯示了初始溫度為300K、初始壓力為0.2MPa工況下不同體積分?jǐn)?shù)氫氣燃燒的壓力曲線。由于體積分?jǐn)?shù)的不同，相應(yīng)的火焰燃燒速度有很大不同，反應(yīng)在壓力曲線上表現(xiàn)為燃燒持續(xù)時間（忽略傳熱，燃燒持續(xù)時間為從燃燒開始到升高到壓力最大值的過程）的不同，但發(fā)展趨勢是較一致的，都是從開始的火花跳火干擾到平穩(wěn)的等壓燃燒，再到壓力的慢速和快速增加，在燃燒的中后期會出現(xiàn)壓力振蕩，最終達(dá)到完全燃燒，因此也可以稱為中心點(diǎn)火定容燃燒的壓力變化過程，在不同工況壓力振蕩的起始點(diǎn)相對于其本身的燃燒階段有所差異。

3 爆壓變化規(guī)律

燃燒爆壓是指在燃燒過程中壓力達(dá)到的最大壓力值，圖4所示為燃燒爆壓隨燃空當(dāng)量比φ的變化曲線。在非燃燒極限工況下，隨著燃空當(dāng)量比的增加燃燒爆壓先增加后減小，常溫常壓下最大燃燒爆壓約為0.74MPa，出現(xiàn)在約為理論燃空當(dāng)量比的工況下，且不隨初始壓力溫度的變化而變化。這是因?yàn)樵谙嗤跏級毫蜏囟惹闆r下只有在理論燃空當(dāng)量比時可燃的氫氣量最大。隨著溫度的增加燃燒爆壓和最大燃燒爆壓都減小，這同樣也可以從燃燒氫氣量上來解釋，對于壓力和體積相同的可燃?xì)猓瑴囟仍礁邭怏w質(zhì)量越少，燃燒放出的熱量也就越少，所以燃燒爆壓也就越低。隨著壓力的增加燃燒爆壓隨之增加，且隨著初始壓力的升高燃燒爆壓幾乎線性增加，這主要還是因?yàn)槌跏紲囟炔蛔兊那闆r下可燃?xì)錃饬侩S著壓力的增加線性增加。

圖4 燃燒爆壓隨燃空當(dāng)量比的變化曲線Fig.4 Combution－explosion pressure varied with equivalence ratio

圖5 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對比Fig.5 Comparison of combution－explosion pressure between experiment and calculation

圖5所示為初始溫度為300K、初始壓力0.1MPa下燃燒爆壓的實(shí)驗(yàn)值與絕熱化學(xué)平衡法計(jì)算值的對比，在燃空當(dāng)量比為0.8～4.0之間兩者的比值為約90%，最大值出現(xiàn)在燃空當(dāng)量比為約1.4，這說明此燃空當(dāng)量比下燃燒與放熱的損失（燃料的不完全燃燒與傳熱的和）相對于理論燃燒放熱總量較小；反之，在實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比值較小時，說明對應(yīng)工況的燃燒與放熱損失相對于總放熱量較大。

4 爆炸常數(shù)變化規(guī)律

燃燒爆炸常數(shù)K定義為壓力上升速率與燃燒容積立方根的乘積，所以燃燒爆炸常數(shù)與壓力上升速率的變化規(guī)律一致，只是數(shù)值上相差固定的倍數(shù)而已，因此可以用爆炸常數(shù)來反應(yīng)壓力上升的變化規(guī)律。圖6為燃燒爆炸常數(shù)的變化曲線。

圖6 爆炸常數(shù)隨燃空當(dāng)量比的變化曲線Fig.6 Explosion constant varied with equivalence ratio

隨著燃空當(dāng)量比的增加，燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）先增加后減小，最大燃燒爆炸常數(shù)（最大壓力上升速率）出現(xiàn)在燃空當(dāng)量比約為1.4的工況下，幾乎不隨初始壓力和溫度的變化而變化。這是因?yàn)樵谥桓淖凅w積分?jǐn)?shù)的情況下，壓力上升速率主要由火焰速度和可燃?xì)錃饷芏葲Q定。文獻(xiàn)［7］已經(jīng)介紹過氫氣的最大層流火焰速度出現(xiàn)在燃空當(dāng)量比約為1.7左右，但由于火焰在燃燒過程中達(dá)到胞狀不穩(wěn)定以后火焰將出現(xiàn)不斷的自加速，且在本文中定容燃燒爆炸特性實(shí)驗(yàn)所測工況內(nèi)隨著燃空當(dāng)量比的減小加速作用增強(qiáng)，所以最大火焰速度對應(yīng)的燃空當(dāng)量比要較1.7小。另外，可燃的氫氣密度（單位體積內(nèi)可燃的氫氣質(zhì)量）也對壓力上升速率有影響，可燃的氫氣密度加大會使得燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）有所增加，在理論燃空當(dāng)量比附近可燃的氫氣密度最大，所以最大燃燒爆炸常數(shù)會出現(xiàn)在比火焰速度最大工況稍偏向理論燃空當(dāng)量比的時候，所以最終表現(xiàn)為最大燃燒爆炸常數(shù)（最大壓力上升速率）出現(xiàn)在燃空當(dāng)量比為1.4的工況下。

隨著溫度的增加可燃?xì)錃饷芏染€性下降，火焰速度隨溫度的升高而升高，兩者共同作用的結(jié)果為：在燃空當(dāng)量比小于2.5時，燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨溫度升高而減小，即火焰速度的升高作用不足以抵消可燃?xì)錃饷芏鹊南陆底饔?；在燃空?dāng)量比大于2.5時，則正好相反，表現(xiàn)為燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨著溫度的升高而增加，即火焰速度的升高作用大于可燃?xì)錃饷芏认陆档淖饔谩?/p>

火焰速度隨壓力的變化比較復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)所測范圍內(nèi)，文獻(xiàn)［7］得出氫氣的層流燃燒速度在燃空當(dāng)量比介于1.2～2.2之間時隨著壓力的增大而增大，其它工況隨著壓力的增大而減小。文獻(xiàn)［8］中得出隨著壓力的增加火焰自加速特性增強(qiáng)。因此，綜合兩因素的影響可得：火焰速度隨著初始壓力的增加而增加的燃空當(dāng)量比范圍大于1.2～2.2。再加上隨著壓力的升高可燃?xì)錃饷芏染€性增加，使得燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨初始壓力增加而增加的范圍大大超于火焰速度如此變化的范圍，最終表現(xiàn)為約在燃空當(dāng)量比小于4.0各工況的燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨初始壓力的升高而增加，而燃空當(dāng)量比大于4.0的工況隨著初始壓力的升高而有所下降。

將常溫常壓下燃燒爆炸常數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與D.J.Young等［4］、V.Schroeder等［9］的研究結(jié)果進(jìn)行對比對比，如圖6（c）所示，在較低和較高體積分?jǐn)?shù)時三者的結(jié)果一致，在中等濃度時本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與D.J.Young等［4］的較一致，只是在最大燃燒爆炸常數(shù)值上有稍稍的不同，本實(shí)驗(yàn)測得的最大燃燒爆炸常數(shù)約為91MPa·m／s，對應(yīng)的燃空當(dāng)量比約為1.4。V.Schroeder等［9］的測量值在中等燃空當(dāng)量比時偏低，對應(yīng)的燃空當(dāng)量比也偏大。

5 結(jié) 論

通過定容燃燒彈和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究了氫氣定容燃燒時的壓力變化過程，可彌補(bǔ)氫氣定容燃燒過程整體分析的空白；揭示了爆壓及爆炸常數(shù)的變化規(guī)律，為更好利用氫能提供一定的依據(jù)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其得出的主要結(jié)論如下：

（1）中心點(diǎn)火定容燃燒的壓力變化過程為：從開始的火花跳火干擾到平穩(wěn)的等壓燃燒，再到壓力的慢速和快速增加，在燃燒的中后期會出現(xiàn)壓力振蕩；

（2）在非燃燒極限工況下，隨著燃空當(dāng)量比的增加氫氣的燃燒爆壓及爆炸常數(shù)都是先增加后減小；

（3）隨著初始壓力的升高氫氣燃燒爆壓幾乎線性增加；爆炸常數(shù)在燃空當(dāng)量比小于4.0時隨初始壓力的升高而增加，而燃空當(dāng)量比大于4.0時隨著初始壓力的升高而有所下降；

（4）隨著溫度的增加氫氣燃燒爆壓和最大燃燒爆壓都減??；在燃空當(dāng)量比小于2.5時，燃燒爆炸常數(shù)隨溫度升高而減小，在燃空當(dāng)量比大于2.5時，則正好相反。

［1］Crowl D A，Jo Y D.The Hazards and Risks of Hydrogen［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2007，20（2）：158－167.

［2］Sato Y，Iwabuchi H，Groethe M，et al.Experiments on Hydrogen Deflagration［J］.Journal of Power Sources，2006，159（1）：144－148.

［3］Tanaka T，Azuma T，Evans J A，et al.Experimental study on hydrogen explosions in a full－scale hydrogen filling station model［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2007，32（13）：2162－2170.

［4］Young D J，Daniel A C.Explosion characteristics of hydrogen－air mixtures in a spherical vessel［J］.Process Safety Progress，2010，29（3）：216－223.

［5］Tang Cheng－long，Huang Zuo－h(huán)ua，Jin Chun，et al.Explosion characteristics of hydrogen－nitrogen－air mixtures at elevated pressures and temperatures［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（1）：554－561.

［6］Bjerketvedt D，Bakke J R，Wingerden K V，et al.Gas explosion hand book［J］.Journal of hazardous，1997，52（1）：1－150.

［7］暴秀超，劉福水.氫氣／空氣混合氣層流燃燒速度的實(shí)驗(yàn)測量與模擬計(jì)算［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17（5）：407－413.

［8］Sun Zuo－yu，Liu Fu－Shui，Bao Xiu－Chao，et al.Research on cellular instabilities in outwardly propagating spherical hydrogen－air flames［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（9）：7889－7899.

［9］Schroeder V，Holtappels K.Explosion characteristics of hydrogen－air hydrogen－oxygen mixtures at elevated pressures［C］∥Proceedings of 1st International Conference on Hydrogen Safety.Pisa，Italy，2005.