阻挡和无限制几何中氢爆炸动力学的高速可视化与压力测量

摘要

本文展示了一种受控实验方法，用于在有障碍的非受限环境中研究氢爆炸动力学。通过同步高速成像和压力测量，该协议捕捉了因氢气喷流延迟点火导致的火焰加速、湍流产生及压力积累。

摘要

本文提出了一种详细的实验方法，用于研究氢气爆炸在不同障碍布局和约束条件下的行为。该程序包括受控释放氢气喷流、延迟点火，以及系统性调整障碍几何形状和约束距离，以模拟真实的工业场景。高速摄像机捕捉火焰传播和喷射-喷射过渡，压力传感器记录爆炸的严重程度和压力积累。该方法强调了关键参数，如喷嘴直径、上游压力、障碍间距和约束，这些决定湍流产生和火焰加速。代表性结果验证了该方法，并展示了几何配置如何影响爆炸强度。这种可重复的工作流程旨在通过提供清晰、逐步的实验过程文档，支持研究和教育。除了直接应用于实验氢安全研究外，该协议还为验证计算流体力学（CFD）模型和制定风险缓解工程指南提供了宝贵数据。通过将可视化方法与结构化数据收集相结合，该协议支持可重复的实验，并有助于未来旨在提升工业和海事环境中氢气系统安全性的研究。

引言

氢气因其高能量密度和环境效益，成为一种有前景的能源载体。然而，其储存和在高压系统中的使用存在重大安全挑战，尤其是在工业和海事环境中，意外泄漏可能导致危险情况。当氢气从高压系统泄漏时，它以高速、膨胀不足的喷流形式逸出，迅速卷入周围空气，形成易燃的氢气-空气混合物^1,2。喷流的动量和混合行为强烈影响最终的火焰和爆炸动力学。

由于氢气可以以高动量喷流形式逸出，迅速与空气混合并产生爆炸性云^{，因此需要}严格的安全措施。在受限或受阻环境中，障碍物的几何形状和间距显著影响湍流、火焰传播和爆炸严重度的发展 ^4,5。尽管如此，无压氢释放配置被广泛推荐，因为它们能降低压力积累和严重爆炸的风险。在工业或海事环境中，完全开放往往难以实现。然而，在工业或海事环境中，物理约束往往不可避免，导致流动被卷入和湍流形成的风险增加。这些条件直接影响喷流行为、混合现象，最终影响火焰传播^。了解这些参数对于设计更安全的氢气系统和确定有效安全距离至关重要 ^6,7.尽管计算流体力学（CFD）模拟取得了进步，实验数据对于验证这些模型和制定可靠的工程指南仍然不可或缺 ^8,9。

与氢喷流点火研究中使用的其他诊断方法相比，如施利伦成像、平面激光诱导荧光（PLIF）或单点压力测量，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、瞬态喷流发展和爆炸强度 10,11,12.如施利伦或PLIF等技术通常仅捕捉密度梯度或物种集中场，可能无法解决延迟点火后火焰形态的快速转变。同样，仅压力诊断对火焰几何或传播模式的了解有限。本研究采用的结合成像与压力方法，能够以高时间分辨率详细追踪点火状态、火焰加速和压力积累，为验证计算流体力学模型和识别危险火焰行为提供了明显优势。

本文介绍了管道形障碍物在开放大气中延迟点火高压氢气喷流后对火焰传播和爆炸动力学影响的方法论和实验结果。当氢气出口压力超过环境压力时，会发生喷嘴附近形成激波结构，形成不足膨胀的喷流。这一现象显著影响喷嘴的混合特性及点火时的火焰行为。实验过程中，氢气通过一个直径1.69毫米的圆形孔口喷射，供水压力范围为30至80巴（g）。研究了延迟点火位置和两个障碍物距离对喷流演化和火焰传播的影响。通过同步高速成像和压力测量，实验提供了对流动模式、火焰行为及影响爆炸严重性的条件的洞察。实验装置如 图1 和 图2所示。补充 图1 和补充 图2中包含氢气瓶及其阀门的图片。实验数据旨在补充CFD模拟，提供喷流内火焰速度、压力积累和湍流混合的验证点。

图1：实验装置的简化管道与仪表图（P&ID）。图示显示了氢气供应、PT、压力传感器（P1–P4）、气动阀（V）、IGN、凸轮和操作系统。缩写;PT = 压力变送器;IGN = 点火单元;CAM = 高速摄像机;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。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2：实验装置。 实验室配置照片，展示了氢喷射爆炸测试中使用的喷嘴、障碍结构、压力传感器和相机安装装置。 请点击此处查看该图的放大版本。

氢气供应压力通过安装在喷嘴上游的压力变送器（0–250 bar（g））进行测量。障碍几何形状（由一系列绿色圆圈组成，见附图）位于喷嘴两处：29厘米和54厘米。所选距离对应喷流演化的不同阶段，在此期间氢气浓度变化为60%至30%（见图3）。点火源被放置在三个不同位置，以评估点火位置对喷流发展和火焰传播的影响。点火地点的选择是为了调查火焰是在高氢浓度区域（喷嘴附近）还是低浓度区域（下游）点燃。

氢气射流的浓度场并未被实验测量。相反，它是通过另一项研究¹³ 中描述的假想喷嘴模型以及另一项研究¹⁴中显示的浓度衰变轮廓（如 图3所示）进行估算的。该建模方法假设射流从未膨胀状态转变为具有高斯集中分布的完整湍流喷流。理论喷嘴模型通过将喷嘴附近的复杂流场表示为具有已知性质的等效理想喷流，从而简化了该喷嘴附近的复杂流场。因此，测试期间障碍物几何内的实际浓度分布仍不明朗。尽管该建模方法对整体喷流行为提供了合理的估计，但浓缩场尚未经过实验验证，因此点火点局部混合气成分可能与预测值不同。

图3：氢射流的浓度轮廓。模拟通过1.69毫米喷嘴释放60巴氢气浓度分布，展示了氢质量分数的径向和轴向衰变。 请点击此处查看该图的放大版本。

质量流量通过排放压力在假定的293 K气体温度下通过节流关系确定，确保释放条件稳定且可重复。点火发生在阀门打开后2.5秒，高速摄像机与点火系统同步，捕捉火焰早期发展并实现火焰传播动力学的准确后处理。

方案

本协议详细描述了用于研究氢喷流点火和爆炸动力学的实验程序。所有用于该程序的材料、设备和软件均列于 材料表中。还提供了额外的程序模板，包括启动与关闭检查表（补充文件1）和实验数据记录模板（补充文件2），以支持可重复性和实验室实施。实验在典型的实验室环境条件下进行，室温约22°C，标准机械通风系统以建筑规定的空气变化速率运行。尽管温度和通气未被主动控制，但未来研究可能受益于监测这些参数

1. 实验装置准备

注意：通过关闭出入口门并张贴警告标志来确保实验区域安全，禁止未经授权人员进入实验室。在开始任何氢气相关操作前，请佩戴适当的个人防护装备（PPE），包括带面罩的头盔和听力保护。将整个实验装置接地到经过验证的接地连接处，以降低火花点火系统引起的触电风险。

1. 设备连接
   1. 将高压调节器连接到氢气瓶，然后在调节器出口和实验装置入口之间连接高压软管。
      注意：使用额定压力至少为100巴（g）且兼容氢气供电的管道和配件。加压前目视检查所有连接。
   2. 用气管将气动阀连接到空气压缩机，并将压缩机出口压力设置为阀门全驱动所需的值，符合阀门规范。
   3. 将所有电子设备（数据采集系统、高速摄像机、脉冲发生器和点火装置）连接到各自的电源，并开机。
   4. 通过适当的信号线将脉冲发生器的触发输出连接到气动阀控制、高速相机触发输入、压力数据采集触发输入和点火单元触发输入。
   5. 将障碍物阵列定位在喷嘴下游选定距离（例如29厘米或54厘米），从喷嘴出口平面测量，并将障碍物对准喷嘴中心线。
   6. 将点火源放置在相对于障碍物和喷嘴的指定位置（例如近喷嘴、中射流或下游），并牢固固定。
   7. 使用塞尺或尺子将点火电极间距调整至约1–3毫米的火花间隙。
   8. 通过用惰性气体（例如氮气）加压系统，使其压力略高于计划操作压力，并用刷子或喷雾瓶向每个接头喷洒肥皂水溶液，对所有氢气连接进行泄漏测试。检查气泡形成情况。收紧或重新连接任何出现气泡的地方，重复测试直到发现漏气为止。
2. 校准与配置
   1. 设置数据采集系统以至少50 kHz的速率采样所有压力通道。将时间基准配置为覆盖整个释放和燃烧事件（例如总时长5秒），并根据每个压力传感器的校准设置合适的电压范围。配置系统触发脉冲发生器的上升沿信号。
   2. 将高速摄像机设置为1024×1024像素，每秒5000帧。将曝光时间设置为避免运动模糊且保持足够亮度的值（例如100–200微秒），并选择一个记录短触发前周期的触发模式（例如，总录制时间的10–20%）。
      注意：根据相机性能和所需的火焰细节水平，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，同时激活气动阀门、高速摄像机、压力数据采集和点火单元。将氢气释放持续时间设置为2.03秒，点火延迟为相对于阀门开启的2.00秒，点火脉冲持续时间为0.03秒。
   4. 配置相机触发器与点火触发同时开始录制，并设定在触发前的指定时间段，并将数据采集系统设置为在同一触发信号下开始录制。
   5. 在氢气瓶阀关闭时发送测试触发器，确认阀门打开，摄像机记录，数据采集系统存储测试痕迹，以验证触发配置。

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，然后根据实验矩阵规定，将压力调节器调整到所需的上游压力（例如30–80巴（g））。等调节器压力稳定在±0.5巴以内至少10秒后再进行。
   2. 移动到保护屏障后方或危险区外的指定安全地点，通过摄像头或观察窗保持与实验的视觉接触。
   3. 关闭不必要的室内照明以提升高速视频对比度。
   4. 根据当地程序激活视觉或听觉实验室安全信号，以表明氢气释放即将开始。
   5. 启动脉冲发生器以启动同步触发序列。
2. 数据收集。
   1. 使用数据采集软件保存所有压力传感器的爆炸压力信号及上游供水压力追踪。
   2. 保存显示点火行为和火焰在障碍物几何结构中传播的高速视频文件。确认录像中包含了触发前的阶段，并且点火时刻在录像中可见。
   3. 将所有记录的数据转移到指定的实验文件夹，并备份到外置硬盘。

3. 关闭与数据管理

1. 实验结束
   1. 顺时针转动氢气瓶针阀，直到感受到阻力，完全关闭。
   2. 断开点火装置电源，以消除意外激活的可能性。
   3. 通过手动触发信号打开气动阀，将管道系统剩余的氢气排出——如果压力降至0，请检查压力调节阀。
   4. 关闭所有剩余设备，包括脉冲发生器、数据采集系统、高速摄像机、照明和空气压缩机。
2. 实验后安全性
   1. 确认氢气瓶的密封状态。
   2. 断开所有电源和电缆。
   3. 确保实验区域安全，记录任何异常或观察。

结果

该实验方案捕捉了氢爆炸的关键动力学，通过同步的高速视频和压力测量（见 图4 和 图5）得以体现。在成功的实验中，高速视频捕捉了点火时刻及随后火焰通过障碍几何结构的传播过程，如 图4的连续帧所示。

图4：显示火焰前沿通过障碍区域的高速图像。 顺序框架展示了点火、早期火焰发展以及湍流增强的障碍物结构传播过程。请点击此处查看该图的放大版本。

例如，当障碍物距离喷嘴29厘米时，由于障碍物产生的湍流，火焰迅速加速。对应的压力传感器数据显示点火时刻出现一个尖锐峰值，爆炸压力最初在传感器P0处观测到，随后逐渐向下游移动（见 图5）。彩色曲线对应压力传感器距离喷嘴越来越远的分布，峰值之间的时序偏移反映了火焰前沿通过各传感器位置的传播。

图5：代表性氢气爆炸测试中记录的时间分辨压力痕迹。 彩色曲线对应距离喷嘴越来越远的压力传感器，显示火焰前沿通过每个传感器时压力峰值的定时序列。请点击此处查看该图的放大版本。

该方案中研究的参数，如障碍物距离、点火位置和质量流量，可以在本研究测试范围内进行调整（见图4–5），使 该方法能够解决不同的研究问题。调查可能还会关注其他可能的变量，如障碍物的大小、形状和配置，以及延迟时间。例如，不同障碍物布局或点火位置可以用来聚焦于湍流的产生或火焰加速，尤其是在特定条件下。如 图4–5所示，点火位置的移动会使火焰发展和压力峰值到达下游传感器的时间发生可测量的变化。在所研究的范围内，这种适应性使该方法能够应用于工业和教育环境中的多种释放和点火场景，反映了现实应用的复杂性。

诸如不当相机曝光、压力测量中的电噪声或点火电极错位等挑战，可能导致记录不佳或数据不完整（如初步测试中偶尔观察到的）。例如，相机参数配置不当（如低帧率或曝光错误）可能导致视频模糊或曝光不足，而信号不同步可能导致数据采集不完整。同样，由于点火源位置不当或火花能量不足导致点火失败，可能导致火焰无法点火或压力读数不一致。这些问题通常可以通过重新校准传感器、重新定位点火源和/或抛光导线，或在实验前再次检查同步设置来解决。

成功的实验特点是视频清晰、压力同步记录和压力峰值序列一致（如 图4–5所示），而信号噪声或轻微泄漏等问题则可能降低数据质量。该协议灵活修改关键参数，使其成为研究各种条件下氢爆炸动力学的多功能工具。实验数据为氢喷流点火计算流体力学（CFD）模型提供了潜在验证点，特别是在预测不同障碍物和约束条件下火焰加速度和压力积累方面。此外，该方法获得的见解还可用于改进更安全的氢气储存和运输系统设计，特别是在工业和海事环境中，并支持学生培训。

补充图1：氢气供应系统。 用于输送受控氢气释放的氢气瓶、调节器和高压管道的照片。请点击这里下载此文件。

补充图2：气动驱动与控制系统。 照片显示控制氢气释放的气动阀，由脉冲发生器的电压信号触发电磁阀操作。空气供应软管和控制信号连接处也可见。请点击这里下载此文件。

补充文件1： 启动和关闭程序模板。 一份PDF检查表，列出氢喷流实验前后的安全和操作步骤。请点击这里下载此文件。

补充文件2： 实验程序模板。 每次实验中使用的PDF模板，用于记录触发设置、点火时机、压力读数和实验元数据。请点击这里下载此文件。

讨论

设备的选择和装置设计会影响记录的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告的最佳实践一致。选择压电压力传感器因其高灵敏度和快速响应时间，这对于捕捉氢气爆炸过程中的快速压力变化^{至关重要。}与其他压力传感器（如标准压阻传感器）不同，Kistler 603B采用压电技术，非常适合在涉及瞬态现象（如火焰传播和爆炸）的实验中进行动压测量。

采用多通道高速数据采集系统，因其高分辨率和多通道同步，允许同时记录压力信号并与高速视频同步。正确选择管道和配件对于应对系统中高操作压力至关重要。管道必须具备承受压力调节器和换能器提供的最大上游压力，确保氢气释放时的结构完整性。未使用适当额定的组件可能导致灾难性泄漏或系统故障。选择气动阀因其快速且气动操作的能力，具有两个关键目的：（1）同步所有实验动作，包括氢气释放和数据采集;（2）增强安全性，因为阀门可远程控制，最大限度减少操作员暴露于危险中。

系统组装后必须进行泄漏测试，这符合氢气安全指南¹⁶的建议。这确保所有连接处气密，防止氢气意外泄漏。可以将水和洗洁精或实验室级肥皂简单混合，涂抹在接头上，通过形成气泡来检测泄漏。如果发现气泡，必须拧紧接头并重新测试，直到发现无泄漏。泄漏测试时，氮气瓶必须替换氢气瓶，并逐步将压力提高到计划运行压力以上。保持一致的高速视频设置提高了实验间的可比性，并增强了早期火焰发展的可见性（见图4）。在所有视频中保持一致的分辨率、帧率和曝光设置，确保画面质量可比。这种一致性简化了后处理和分析，便于对火焰传播和爆炸动力学的准确解读。

通过标准化关键组件和同步记录系统，实验设计在测试条件下产生可重复的压力和成像数据（见图4–5）。为了提高时间精度，在每次实验前通过测试触发器验证了高速摄像机、压力获取系统、气动阀门和点火装置之间的同步。虽然可能出现轻微的时序抖动，但此处使用的触发系统工作在亚毫秒级时间尺度上，这种精度足以解析 图4–5中报告的火焰发展和压力上升趋势。

与仅依赖施利伦成像或平面激光诱导荧光的诊断相比，该方案强调同步高速成像可见火焰和同时多点压力测量。虽然Schlieren和PLIF技术可以更详细地分辨密度场或集中场，但通常需要更复杂的光学装置，且不适合工业环境中的常规安全研究。相比之下，这里描述的结合成像与压力的方法提供了一个稳健且相对简单的框架，用于识别点火状态、火焰加速度和爆炸严重程度，并生成可用于验证氢释放计算流体动力学模拟的数据。

该协议可扩展至研究其他障碍几何形状（如网格、穿孔板或更复杂管道）对火焰加速和爆炸载荷的影响。未来的研究也可能将相同的测量方法应用于部分封闭或通风的封闭箱，为工业和海运氢气应用的风险评估提供数据。在教育环境中，该方法可作为实验室练习，培训学生氢气安全、实验设计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——以及未来参数矩阵的任何扩展——可用于支持CFD模型验证，并检验爆炸行为对点火位置和局部氢气混合气成分的敏感性。这凸显了该方法不仅适合展示具体案例，也适用于在探索更广泛参数集时为安全相关分析提供参考。

该协议常见问题包括点火失效、火焰可视化不完整以及压力信号噪声。如果未发生点火，则检查火花间隙（约1–3毫米），检查点火单元的电气连接，并确认点火电极完全浸没在氢气云的易燃部分。如果录制的画面曝光不足或模糊，可以稍微延长相机曝光时间，调整镜头光圈，或在保持所需帧率的前提下增加外部光线。噪声压力走路通常可以通过改善电气接地、缩短传感器电缆或在后处理时进行适当的数字滤波来缓解。该协议可通过重新校准压力传感器和重新建立安全的压力和释放时间操作包线，适应不同的障碍物布局或喷嘴直径。

该协议仅限于开放大气释放和点火场景，不代表受限或半受限氢气爆炸。使用单一喷嘴直径和特定供水压力范围限制了结果在其他几何形状和操作条件下的直接适用性。此外，氢气喷流的浓度场并未被直接测量;相反，它是通过名义喷嘴模型进行估算的，该模型在点火点引入了局部当量比的不确定性。

另一个不确定因素来自于理论喷嘴模型和文献基础的浓度轮廓是为自由、无阻挡喷流推导的。在当前实验中，点火点可能位于障碍物上游、障碍阵列内或下游，障碍物的存在预计会通过增强卷流、湍流产生和尾流形成来扭曲局部集中场。因此，一旦引入障碍物，估计的浓度轮廓无法准确反映点火点的混合物组成。

因此， 图3 中所示的浓度轮廓仅用于合理选择障碍物距离——通过指示自由喷流基线中近似的富氢和稀薄区域——而非实际测试中的局部混合比例。点火源附近的实际浓度分布尚不清楚，解释点火行为、火焰加速和燃烧状态转换时应考虑这一限制。直接浓度诊断（如PLIF、拉曼技术或气体采样）是未来减少这种不确定性的重要方向。最后，高速成像受限于所选的帧率、分辨率和视角，这可能阻碍对三维火焰结构的详细可视化。尽管重复试验显示行为一致，但重复次数有限，结果应被视为方法论演示，而非统计平均的数据集。要全面量化不确定性，需要更多的重复次数，这超出了本以协议为重点的文章的范围。

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	美国传感器团队	AST4000C00250B4I1000	范围 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 / 数据记录器	Pico Technology	PicoScope 4824A
摄像机	Photron	FastCam SA-Z 2100K-M-32GB