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富氢-空气混合物在具有两个对称通风口的小圆柱形容器中的爆炸排气

金果^a，王昌建^b，*刘宣亚^c，**，叶晨^c

a福州大学环境与资源学院，福州，350116，PR中国b合肥工业大学土木工程学院，合肥，230009，PR中国 c天津消防研究所，天津，300381，PR中国

文献信息

文章历史：

2016年2月22日以2016年5月11日收到修订的表格

2016年5月11日收到，可用在线编辑

关键词：氢安全爆炸排气排气区

火焰传播超压

摘要

与氢气-空气混合物爆炸排气有关的安全问题是重大的，值得进行更详细的调查。 气体氢气-空气爆炸已被广泛地研究在容器的单一排气口。 然而，对不止一个通风口的案件几乎没有给予注意。 本文在一个具有两个对称通风口的小圆柱形容器中进行了富氢-空气混合物爆炸排气的实验，研究了排气面积和分布对压力积累和火焰行为的影响。 实验结果表明，排气加速了火焰前部向排气口的运动，但对另一侧几乎没有影响。 最大内部超压减小，而最大外部火焰长度随排气面积的增加而增大。 在容器外可以识别出两个压力峰，分别对应于外部爆炸和下面的气体射流。 与单通风口相比，使用两个总通风口面积相同的通风口会导致几乎不变的最大内外超压，但外部火焰长度要小得多。

copy;2016年氢能出版物有限责任公司。 由爱思唯尔有限公司出版。版权所有。

导言

氢是一种很有前途的清洁能源载体，但由于其广泛的易燃范围、较低的点火能量和较大的燃烧速率而被认为是危险的。 当氢气-空气混合物出现在受限空间时，可能会发生爆炸。 因此，通常建议爆炸排气，以防止或减轻爆炸损坏的外壳。

众所周知，爆炸排气的一个关键问题是选择适当的排气区域，使爆炸超压不超过最大允许值。 排气面积对气体混合物爆炸排气的影响已被广泛研究[1e11]。 库珀等人的实验结果。 [1]表明，随着排气面积的减小，第一、第三和第四压力峰增大，而第二压力峰先增大后减小。 McCan、Kordylewski和Wach[6]和Rocourt等人。发现振荡只发生在通风口面积大的容器中。

*相应的作者。

**相应的作者。

电子邮件地址：chjwang@hfut.edu.cn(C.Wang)、liuxuanya@tfri.com.cn(X.Liu)。 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.05.097

2016年copy;氢能出版物有限责任公司。 由爱思唯尔有限公司出版。版权所有。

2 国际水文学协会（2016）1e7

排气面积对峰值内部超压[8,9]的影响，发现较小的排气面积导致直接排气容器内峰值超压较高。 但在有通风口的情况下更复杂。 例如，Kordylewski和Wach[6]和Molkov等人。发现导管直径的增加伴随着峰值超压的降低；然而，Ponizy和Leyer的实验结果[11]表明，通风口面积的增加并不总是导致峰值超压的降低，这是Ferrara等人在数值上再现的。 [12]并被解释为燃烧率和排气率之间竞争的结果。 在其他研究[13e15]中，发现了通风口面积对外部可燃云形成和外部压力剖面的临界影响。

除了实验研究外，还对排气面积对爆炸排气的影响进行了数值研究，以描述压力积累和火焰传播[12，16e20]。在Molkov等人给出的模型中。文[21e24]引入湍流系数与放电系数的比值来解释压力的积累。在广泛的实验和数值工作的上，NFPA68[25]和EN14994[26]为计算排气面积提供了相关性。以前的大多数调查中，只在一个排气口的船只上进行爆炸排气，但对一个以上排气口的案件关注甚少。 Solberg[8]发现，在一堵墙上有通风口的爆炸将导致泰勒不稳定，并建议将通风口区域尽可能多地放置在船只的侧面。克劳赫斯特等人[27]注意到，当使用具有相同总面积的几个浮雕通风口时，粉尘爆炸的最大超压降低，并提供了外部火焰长度与通风口数量之间的经验相关性，这也可以在NFPA68[25]中找到。 到目前为止，一些重要的问题，即氢-空气混合物在有一个以上通风口的容器中爆炸排气还没有得到研究；例如，在两个通风口的情况下，压力如何积累，火焰如何在排气容器内外传播？那么，具有相同总排气面积的单个通风口和两个通风口的情况有多少不同？本文对两个对称排气口的小圆柱形容器中富氢-空气混合物的爆炸排气进行了实验研究来解决问题。

实验

在本研究中，1是排气容器的示意图。 实验是在一个不锈钢圆柱形容器中进行的，它的腰部有两个对称的短导管。 两者都是内在的

pt₁

孔板

pt₂

pt₃

35厘米

点火位置

长10厘米的管道

图1e排气容器示意图。 (pt₁e PT₃压力传感器)。

圆柱形容器的直径和长度为25厘米，在容器的两端安装了两个石英窗，允许纹影系统所需的光学访问。 导管的长度和截面分别为10厘米和7厘米times;7厘米。实际通风口面积(A_v)由在短导管出口安装中心方孔的孔板确定。每个实验进行了两次，发现压力剖面、峰值超压和火焰行为的重现性良好。 实验条件总结见表1。在测试1和2中，通风口面积为零意味着恒定体积爆炸；在测试3e10中，使用了一个通风口，测试11e18中的通风口面积是两个方孔的总数。 氢气-空气混合物通过直径2mm，间隙宽度为1.5mm的钢电极在排气容器中心点燃，点火能量保持在500mJ左右。 采用三个压电压力传感器记录了容器内外的压力-时间历史，分别安装在容器壁(PT₁)，离一个出口2厘米₂)和35厘米以外离开船外(PT₃)，如图所示。

实验布局可以在我们以前的研究[28]中找到。 采用纹影系统与高速摄像机相结合的方法，对容器内的爆炸火焰进行了可视化。 另一台高速相机被用来记录排气容器内外的爆炸焰。 高速摄像机的帧速率为10，000fps。 首先，容器用盲法兰密封，然后用真空泵抽真空；其次，用氢气-空气混合物填充当量比为2.0。 就在点火前，盲法兰被迅速移除，一张纸被轻轻地粘在通风口上。 然后利用信号同步器的反式晶体管逻辑(TTL)信号同时触发高速摄像机和示波器，分别点燃氢-空气混合物并记录火焰图像和压力-时间历史。 所有试验中氢气-空气混合物的初始压力和温度分别为1atm 和280K。

结果和讨论

火焰在容器中的传播

图 2显示了不同通风口内部火焰的典型纹影图像。 在点火后的早期阶段，火焰

国家间j我们的nal的水genenergyxxx（2016）1e7 3

气泡在所有测试中都保持球形，如图所示。 但随着火焰气泡的进一步膨胀，火焰表面被拉伸到通风口，对于较大的通风口区域，火焰畸变发生得更早。 例如，火焰在试验9（单排口点火后5ms进入管道，a_vfrac14;49厘米²)，但在试验3(单通风口，A)点火后6ms未观察到明显的火焰畸变_vfrac14;6.12厘米²)。

通过将火焰前沿传播的距离除以两帧(0.1ms)之间的时差，给出了从Schilieren图像中评估的火焰前沿位置和火焰速度)。 注意负号表示与通风口相反的方向。 如图所示，火焰向通风口加速并向四周蔓延在试验9(单排口，a_vfrac14;49厘米²)。 然而，排气对火焰向与排气相反的方向传播的影响很小。相比之下

火焰正面与时间的位置。 试验1：定容爆炸；试验9：单排口，A_vfrac14;49厘米².

与测试1（恒定体积爆炸），没有太大的差异

火焰前部的轨道在通风口对面传播

在测试9(单排口，A)中观察到_vfrac14;49厘米²)，火焰以大约1.0m/s振荡到2.5m/s的速度膨胀。此外，排气面积也影响火焰表面细胞结构的形成。如图所示。第二，火焰表面仍然保持相当光滑，除了在测试1（恒定体积爆炸）点火后6ms的一些皱纹)。然而，更多的皱纹出现在测试3(单一通风口，A_vfrac14;6.12厘米²火焰表面不相对光滑。当通风口面积增加到49厘米时²（测试9），在点火后5ms时，火焰气泡底部出现了大量的细胞，火焰细胞的演化速度很快，在毫秒内结束。排气面积对火焰蜂窝状外观的影响在于，由于排气引起的火焰伸长有助于火焰表面[5]上细胞结构的出现。较大的排气面积导致气体混合物的流出速率较高，火焰伸长较大。因此，火焰细胞发生得更早。 当使用两个总排气面积相同的通风口时，图8显示火焰

气泡对称拉伸，火焰蜂窝oc-

比一个通风口的案子更早。 如图所示 在试验7(单个通风口，A)中，只有少数电池在点火后5ms出现_vfrac14;24.5厘米²)。 然而，在试验13中，火焰表面已经完全变成蜂窝状(共两个通风口 a_vfrac14;24.5厘米²)。 但是，单通风口和两个通风口的情况在火焰畸变和细胞性方面的差异在内部压力剖面上没有明显的差异，如下一节所示。

容器中的压力剖面

给出了不同排气区的典型未过滤压力历史。 与前研究人员[3,9,20]获得的烃-空气混合物具有多峰的压力剖面不同，由于氢的燃烧速度较快，并且在目前的研究中通风口面积相对

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