受限与非受限几何条件下氢气爆炸动力学的高速可视化与压力测量

摘要

本文展示了一种在有障碍物的非受限环境中研究氢气爆炸动力学的受控实验方法。该方案通过同步的高速成像和压力测量，捕捉欠膨胀氢气射流延迟点火所引发的火焰加速、湍流生成及压力累积过程。

摘要

本文介绍了一种在不同障碍物布局和受限条件下研究氢气爆炸行为的详细实验方法。该方法包括对氢气射流进行受控释放、延迟点火，并系统调节障碍物几何形状与受限距离，以模拟真实的工业场景。高速摄像机用于捕捉火焰传播过程及射流火向爆炸的转变，同时使用压力传感器记录爆炸严重程度和压力累积情况。该方法强调了控制湍流生成和火焰加速的关键参数，如喷嘴直径、上游压力、障碍物间距和受限程度。典型实验结果验证了该方法的有效性，并展示了几何构型如何影响爆炸强度。该可重复的实验流程通过提供清晰、逐步的实验过程记录，旨在支持科研与教学工作。除了在实验性氢安全研究中的直接应用外，本实验方案还可为验证计算流体动力学（CFD）模型以及制定工程层面的风险缓解指南提供有价值的数据。通过将可视化方法与结构化数据采集相结合，本方案支持可重复的实验操作，有助于未来在工业与海洋环境中提升氢系统安全性的相关研究。

引言

由于氢气具有高能量密度和环境友好等优点，已成为一种极具前景的能源载体。然而，在高压系统中储存和使用氢气会带来显著的安全挑战，尤其是在工业和海洋环境中，意外泄漏可能导致危险情况。当氢气从高压系统泄漏时，会以高速欠膨胀射流的形式喷出，并迅速卷吸周围空气，形成可燃的氢气-空气混合物^1,2。射流的动量和混合行为对后续火焰传播及爆炸动力学过程具有重要影响。

由于氢气可能以高动量射流形式逸出，迅速与空气混合并形成爆炸性云团，因此必须采取强有力的安全措施³。在密闭或存在障碍物的环境中，障碍物的几何形状和间距会显著影响湍流的发展、火焰传播以及爆炸的严重程度^4,5。尽管目前普遍推荐采用无约束的氢气释放配置，以降低压力积聚和严重爆炸的风险，但在工业或海上环境中往往难以实现完全开放。然而，在工业或海洋环境中，物理上的密闭通常不可避免，从而增加了流动卷吸和湍流发展的风险。此类条件会直接影响射流行为、混合现象以及最终的火焰传播过程⁵。深入理解这些参数对于设计更安全的氢气系统以及制定有效的安全距离至关重要^6,7。尽管计算流体动力学（CFD）模拟已取得显著进展，实验数据在验证这些模型和建立可靠的工程指导准则方面仍不可或缺^8,9。

与其他用于氢气射流点火研究的诊断方法（如纹影成像、平面激光诱导荧光（PLIF）或单点压力测量）相比，同步高速成像结合多点压力传感能够更全面地表征火焰结构、瞬态射流发展过程以及爆炸强度^10,11,12。纹影或PLIF等技术通常仅能捕捉密度梯度或组分浓度场，可能无法解析延迟点火后火焰形貌的快速转变过程。同样，仅依赖压力诊断的方法对火焰几何形态或传播模式提供的信息有限。本研究采用的成像与压力联合方法，能够以高时间分辨率详细追踪点火模式、火焰加速过程以及压力累积，因而在验证计算流体动力学（CFD）模型和识别危险火焰行为方面具有明显优势。

本文介绍了在开放大气环境中，对高压氢气射流延迟点火后，管状障碍物对火焰传播和爆炸动力学影响的实验方法与结果。当氢气出口压力超过环境压力时，会产生欠膨胀射流，导致喷嘴附近形成激波结构。这一现象显著影响射流的混合特性以及点火后的火焰行为。实验中，氢气通过一个直径为1.69 mm的圆形孔口释放，供气压力范围为30至80 bar(g)。研究考察了延迟点火位置以及两种障碍物间距对射流演化和火焰传播的影响。通过同步高速成像与压力测量，实验揭示了流动状态、火焰行为以及影响爆炸严重程度的条件。实验装置如图1和图2所示。补充图1和补充图2包含了氢气瓶及其阀门的照片。实验数据旨在为CFD模拟提供验证点，以支持火焰速度、压力上升和射流内湍流混合的模型验证。

图1：实验装置的简化管道与仪表图（P&ID）。该图显示了氢气供应系统、PT、压力传感器（P1–P4）、气动阀（V）、IGN、CAM 和 OS。缩写说明：PT = 压力变送器；IGN = 点火装置；CAM = 高速相机；OS = 数据采集/示波器连接；T = 触发信号；DC = 直流电；SSD = 固态继电器装置。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2：实验装置。实验室配置的照片，显示了在氢射流爆炸测试中使用的喷嘴、障碍物结构、压力传感器以及相机安装布置。请点击此处查看此图的放大版本。

使用安装在喷嘴上游的压力变送器（0–250 bar(g)）测量氢气供应压力。障碍物几何结构（配置为一系列绿色圆圈，见附图）放置在距喷嘴两个不同距离的位置：29 cm和54 cm。所选距离对应于射流发展的不同阶段，期间氢气浓度从60%变化至30%（图3）。点火源置于三个不同位置，以评估点火位置对射流发展和火焰传播的影响。选择这些点火位置是为了研究火焰是在氢气浓度较高的区域（靠近喷嘴处）还是在浓度较低的区域（更下游的位置）引发的。

氢气射流的浓度场未通过实验测量，而是结合另一项研究中描述的假想喷嘴模型¹³以及另一项研究中提供的浓度衰减等值线¹⁴进行估算，如图3所示。该建模方法假设射流从欠膨胀状态过渡为具有高斯浓度分布的充分发展湍流射流。假想喷嘴模型通过将喷嘴附近的复杂流场简化为具有已知特性的等效理想射流，从而实现简化分析。因此，在实验过程中，障碍物结构内部的实际浓度分布仍未知。尽管该建模方法能够合理估计射流的整体行为，但浓度场未经过实验验证，因此点火位置处的局部混合物组分可能与预测值存在差异。

图3：氢气射流的浓度等值线。模拟通过1.69 mm喷嘴在60 bar压力下释放氢气的浓度分布，展示氢气质量分数在径向和轴向的衰减情况。请点击此处查看该图的放大版本。

通过临界流动关系，根据放电压力并假设气体温度为293 K，确定了质量流量，以确保释放条件的稳定性和可重复性。点火发生在阀门开启后2.5秒，高速相机与点火系统同步，以捕捉早期火焰发展过程，并实现对火焰传播动力学的精确后期处理。

方案

本方案详细描述了用于研究氢气射流点火与爆炸动力学的实验步骤。实验中使用的所有材料、设备和软件均列于材料表中。为支持实验的可重复性和实验室实施，还提供了其他程序模板，包括启动与关闭检查清单（补充文件1）和实验数据记录模板（补充文件2）。实验在常温（约22 °C）下的典型实验室环境条件下进行，建筑物内机械通风系统按规定的换气率运行。尽管温度和通风未主动控制，但未来的研究可从对这些参数的监测中获益。

1. 实验装置准备

警告：关闭实验区域的进出通道并张贴警示标志，禁止未授权人员进入实验室，以确保实验区域安全。在进行任何与氢气相关的操作前，应穿戴适当的个人防护装备（PPE），包括带面罩的安全头盔和听力保护装置。将整个实验装置连接至经确认的接地端，以降低火花点火系统可能带来的电击风险。

1. 设备连接
   1. 将高压减压器连接至氢气钢瓶，然后使用高压软管将减压器出口与实验装置的入口相连。
      警告：使用额定压力至少为100 bar(g)且适用于氢气环境的管道和接头。在加压前目视检查所有连接部位。
   2. 使用气管将气动阀连接至空气压缩机，并根据阀门规格将压缩机出口压力设定为实现阀门完全驱动所需的压力值。
   3. 将所有电子设备（数据采集系统、高速相机、脉冲发生器和点火单元）连接至各自的电源，并开启电源。
   4. 使用适当的信号电缆，将脉冲发生器的触发输出连接至气动阀控制端、高速相机触发输入端、压力数据采集触发输入端以及点火单元触发输入端。
   5. 从喷嘴出口平面开始测量，将障碍物阵列置于选定距离（例如29 cm或54 cm）下游位置，并使障碍物与射流中心线对齐。
   6. 将点火源放置在相对于障碍物和喷嘴的预定位置（例如近喷嘴、射流中部或下游），并牢固固定其位置。
   7. 使用塞尺或直尺调节点火电极之间的距离，使火花间隙约为1–3 mm。
   8. 对所有氢气连接处进行泄漏测试：使用惰性气体（例如氮气）将系统加压至略高于计划操作压力的水平，然后用刷子或喷雾瓶在每个接头处涂抹肥皂水溶液，观察是否产生气泡。若发现气泡，则拧紧或重新连接该部位，并重复测试直至无泄漏现象。
2. 校准与配置
   1. 设置数据采集系统以至少50 kHz的采样率采集所有压力通道的数据。配置时间基准以覆盖整个释放和燃烧过程（例如总时长5 s），并根据各压力传感器的校准参数设置适当的电压范围。配置系统以响应来自脉冲发生器的上升沿信号触发。
   2. 将高速相机设置为1024 × 1024像素分辨率和5,000帧每秒（fps）。设置曝光时间以避免运动模糊同时保持足够亮度（例如100–200 µs），并选择一种可记录短暂预触发时段的触发模式（例如总记录时间的10–20%）。
      注：根据相机性能和所需火焰细节水平调整分辨率、帧率和曝光时间。
   3. 编程脉冲发生器发送单一触发序列，同时激活气动阀、高速相机、压力数据采集系统和点火单元。设定氢气释放持续时间为2.03 s，点火延迟时间为相对于阀门开启的2.00 s，点火脉冲持续时间为0.03 s。
   4. 配置相机触发模式，使其与点火触发信号同步开始记录，并包含所选的预触发时段；同时配置数据采集系统在同一触发信号下开始记录。
   5. 在关闭氢气钢瓶阀门的情况下发送测试触发信号，验证触发配置是否正确，确认阀门能够开启、相机能够记录、数据采集系统能够存储测试波形。

2. 实验执行

1. 氢气释放与点火
   1. 缓慢打开氢气瓶的主阀门，然后根据实验矩阵中的规定调节压力调节器至所需的上游压力（例如，30–80 bar(g)）。在继续操作前，等待调节压力在 ±0.5 bar 范围内稳定至少 10 秒。
   2. 移动到防护屏障后方或危险区域外的指定安全位置，通过摄像头或观察窗保持对实验的视觉监控。
   3. 关闭不必要的室内照明，以提高高速视频的对比度。
   4. 根据当地规程启动视觉或听觉实验室安全信号，提示氢气释放即将开始。
   5. 启动脉冲发生器，以触发同步触发序列。
2. 数据采集。
   1. 使用数据采集软件保存来自所有压力传感器的爆炸压力信号测量值，以及上游供气压力曲线。
   2. 保存显示点火行为及火焰在障碍物结构中传播过程的高速视频文件。确认录像包含触发前时段，并且点火时刻在画面中清晰可见。
   3. 将所有记录的数据转移至指定的实验文件夹，并备份至外部硬盘。

3. 关闭系统与数据管理

1. 实验结束
   1. 顺时针旋转氢气钢瓶针阀直至感到阻力，完全关闭阀门。
   2. 断开点火装置的电源，以避免意外启动。
   3. 通过手动触发信号打开气动阀，将管道系统中残留的氢气排出；观察压力调节阀，确认压力降至0。
   4. 关闭所有剩余设备，包括脉冲发生器、数据采集系统、高速相机、照明设备和空气压缩机。
2. 实验后安全措施
   1. 确认氢气瓶已关闭。
   2. 断开所有电源和电缆。
   3. 确保实验区域安全，并记录任何异常情况或观察结果。

结果

实验方案捕捉到了氢气爆炸的关键动态过程，这通过同步的高速视频和压力测量结果得到了验证（见图4和图5）。在成功的实验中，高速视频记录了点火瞬间以及火焰随后在障碍物结构中的传播过程，如图4中的连续帧所示。

图4： 高速图像显示火焰前锋在障碍物区域中的传播过程。 连续帧展示了点火、初期火焰发展以及在障碍物几何结构中因湍流增强而加速传播的过程。 请点击此处查看该图的放大版本。

例如，当障碍物放置在距离喷嘴 29 cm 处时，由于障碍物产生的湍流，火焰迅速加速。相应的压力传感器数据显示点火瞬间出现明显的峰值，爆炸压力首先在传感器 P0 处被观测到，随后依次向下游各传感器位置传播（见图 5）。彩色曲线对应于距离喷嘴越来越远的压力传感器，曲线峰值之间的时间偏移反映了火焰前锋依次经过各个传感器位置的传播过程。

图5： 典型氢气爆炸试验中记录的时间分辨压力曲线。 不同颜色的曲线对应距喷嘴距离逐渐增加的压力传感器，显示火焰锋面经过各传感器时压力峰值的时间序列。 请点击此处查看该图的放大版本。

本方案中研究的参数，如障碍物距离、点火位置和质量流量，可在本研究测试的范围内进行调整（图4–5），从而使该方法能够应对不同的科研问题。研究还可关注其他可能的变量，例如障碍物的尺寸、形状和构型，以及延迟时间。例如，可通过采用不同的障碍物布局或点火位置，来重点研究特定条件下的湍流生成或火焰加速过程。如图4–5所示，改变点火位置会导致火焰发展过程以及下游传感器处压力峰值到达时间出现可测量的变化。在所考察的范围内，这种灵活性使得该方法可应用于多种与工业和教育场景相关的释放与点火情形，从而反映实际应用中的复杂性。

诸如相机曝光不当、压力测量中的电噪声或点火电极未对准等问题可能导致记录效果不佳或数据不完整（初步测试中偶尔会观察到此类情况）。例如，相机参数设置不当（如帧率过低或曝光不正确）可能导致视频模糊或曝光不足，而信号不同步则可能导致数据采集不完整。类似地，由于点火源位置不当或火花能量不足导致的点火失败，可能造成火焰无法点燃或压力读数不一致。通常可通过重新校准传感器、调整点火源位置和/或打磨导线，以及在实验前仔细检查同步设置来解决这些问题。

成功的实验具有清晰的视频记录、同步的压力数据以及稳定的压力峰值序列（如图4–5所示），而信号噪声或微小泄漏等问题则可能降低数据质量。该实验方案可通过调整关键参数灵活修改，因而成为研究不同条件下氢气爆炸动力学的多功能工具。实验数据可为氢气射流点火的计算流体动力学（CFD）模型提供潜在的验证依据，尤其在预测不同障碍物和受限条件下火焰加速和压力累积方面具有重要意义。此外，通过该方法获得的研究成果还可用于改进氢气储存与运输系统的安全设计，特别是在工业和海洋环境中，并可用于支持学生的实践培训。

补充图1：氢气供应系统。 用于提供可控氢气释放的氢气瓶、减压阀和高压管道的实物照片。请点击此处下载该文件。

补充图2：气动驱动与控制系统。 照片显示了控制氢气释放的气动阀，该阀由脉冲发生器发出的电压信号触发电磁阀来操控。图中还可看到空气供应软管以及控制信号连接线。请点击此处下载该文件。

补充文件 1： 启动与关闭操作流程模板。 一份 PDF 格式的检查清单，列出了氢射流实验开始前和结束后的安全与操作步骤。请点击此处下载该文件。

补充文件 2： 实验步骤模板。 每次实验期间使用的 PDF 模板，用于记录触发设置、点火时序、压力读数以及实验元数据。请点击此处下载该文件。

讨论

设备的选择和实验装置的设计会影响所记录火焰和压力数据的准确性和可靠性，这与氢气爆炸研究中报道的最佳实践一致。选用压电式压力传感器是因为其具有高灵敏度和快速响应时间，这对于捕捉氢气爆炸过程中发生的快速压力变化至关重要¹⁵。与其他压力传感器（如标准的压阻式传感器）不同，Kistler 603B 采用压电技术，因此非常适合用于涉及瞬态现象（如火焰传播和爆炸）实验中的动态压力测量。

由于多通道高速数据采集系统具有高分辨率以及多个同步通道，可实现压力信号的同步记录并与高速视频同步，因此被采用。正确选择管道和管件对于处理系统中的高工作压力至关重要。管道必须能够承受压力调节器和传感器提供的最大上游压力，以确保氢气释放过程中的结构完整性。若未使用额定参数合适的部件，可能导致灾难性泄漏或系统故障。气动阀因其能够快速且以气动方式运行而被选用，这实现了两个关键目的：（1）同步所有实验操作，包括氢气释放和数据采集；（2）提高安全性，因为该阀门可远程控制，从而最大限度减少操作人员暴露于危险环境中的风险。

系统组装完成后必须进行泄漏测试，这是氢气安全指南中推荐的做法¹⁶。该步骤可确保所有连接处气密，防止氢气意外泄漏。可使用水与洗洁精的简单混合液或实验室级皂液涂抹于接头处，通过是否产生气泡来检测泄漏。若观察到气泡，需拧紧接头并重新测试，直至无泄漏为止。进行泄漏测试时，需用氮气瓶替代氢气瓶，并将压力逐步升至高于计划运行时的氢气压力。保持高速摄像参数一致，有助于提升实验之间的可比性，并增强对初期火焰发展的观测效果（图4）。在所有视频中保持统一的分辨率、帧率和曝光设置，可确保所获取影像具有可比性。这种一致性简化了后期处理与分析过程，有利于准确解读火焰传播及爆炸动力学行为。

通过标准化关键组件并同步记录系统，该实验设计在所测试条件下能够产生可重复的压力和成像数据（图 4–5）。为确保时间精度，在每次实验前均使用测试触发信号验证高速相机、压力采集系统、气动阀和点火装置之间的同步性。尽管可能存在轻微的时间抖动，但本研究所采用的触发系统工作在亚毫秒时间尺度，该精度足以解析 图 4–5 中报告的火焰发展过程和压力上升趋势。

与仅依赖纹影成像或平面激光诱导荧光的诊断方法相比，本方案强调对可见火焰进行同步高速成像，并同时进行多点压力测量。尽管纹影和PLIF技术能够更详细地解析密度或浓度场，但它们通常需要更复杂的光学装置，因而不太适用于工业环境中的常规安全研究。相比之下，本文所述的成像与压力结合方法为识别点火模式、火焰加速过程及爆炸严重程度提供了一个稳健且相对简单的框架，并可生成易于用于验证氢气泄漏计算流体动力学模拟结果的数据。

该方案可进一步拓展，用于研究不同障碍物几何结构（如格栅、穿孔板或更复杂的管道系统）对火焰加速及爆炸载荷的影响。未来的研究还可将相同的测量方法应用于部分封闭或通风的容器，为工业和海洋领域的氢气应用风险评估提供数据支持。在教育领域，该方法可改编为实验课程，用于培训学生掌握氢气安全、实验设计以及高速诊断技术在燃烧研究中的应用。此外，本研究产生的数据以及未来参数矩阵扩展所得的数据，均可用于支持计算流体动力学（CFD）模型的验证，并分析爆炸行为对点火位置和局部氢气-空气混合物组分的敏感性。这表明，该方法不仅适用于特定案例的演示，而且在探索更广泛参数集时，亦可用于指导与安全相关的分析。

该方案中常见的问题包括点火失败、火焰可视化不完整以及压力信号噪声过大。若未发生点火，需检查火花间隙（约1–3 mm），确认点火装置的电气连接是否正常，并确保点火电极完全浸没在氢气-空气混合云的可燃区域内。若记录的图像曝光不足或模糊，可略微增加相机曝光时间，调整镜头光圈，或在保持所需帧率的前提下增强外部照明。噪声较大的压力信号通常可通过改善电气接地、缩短传感器电缆长度，或在后期处理中应用适当的数字滤波加以抑制。通过重新校准压力传感器，并针对压力和释放持续时间重新建立安全操作范围，该方案可适用于不同的障碍物布局或喷嘴直径。

本方案仅限于开放大气环境下的释放和点火场景，不能代表密闭或半密闭条件下的氢气爆炸。由于仅使用单一喷嘴直径和特定范围的供气压力，该结果对其他几何结构和运行条件的直接适用性受到限制。此外，氢气射流的浓度场并未直接测量，而是通过一个假想喷嘴模型进行估算，这在点火位置的局部当量比上引入了不确定性。

另一个不确定性来源在于，理论喷嘴模型和基于文献的浓度等值线是针对自由、无阻碍射流推导得出的。在本实验中，点火点可能位于障碍物的上游、障碍物阵列内部或其下游，而障碍物的存在会通过增强卷吸、湍流生成和尾流形成，使局部浓度场发生畸变。因此，一旦引入障碍物，所估算的浓度等值线便无法准确反映点火位置处的实际混合物组分。

因此，图3中所示的浓度等值线仅用于说明障碍物间距的选择依据——通过指示自由射流基线中富氢和贫氢区域的大致分布，而不能用于量化实际测试过程中的局部混合分数。点火源附近的实际浓度分布仍不明确，这一局限性在解释点火行为、火焰加速及燃烧模式转变时应予以考虑。直接的浓度诊断技术（例如PLIF、拉曼技术或气体采样）是未来研究中降低此类不确定性的关键方向。最后，高速成像受到所选帧率、分辨率和观察角度的限制，可能无法详细呈现三维火焰结构。尽管重复实验显示出一致的行为特征，但实验重复次数有限，因此结果应被视为方法学上的演示，而非统计平均的数据集。对不确定性的全面量化需要更多次重复实验，这超出了本聚焦于实验方案的文章范围。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
压力传感器	American Sensor Team	AST4000C00250B4I1000	量程 0–250 bar，4–20 mA
气动阀	Swagelock	SC00015-3 F04-N-D-11 A	最大工作压力 8 bar
压力调节器	Swagelock	KPF1PWF8A8P20020	最大 414 bar
压力传感器	Kistler	603B
脉冲发生器	Quantum Composers	model 9518
示波器 / 数据记录仪	Pico Technology	PicoScope 4824A
高速摄像机	Photron	FastCam SA-Z 2100K-M-32GB