富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展

燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望.     

基于FLUENT模拟的储罐掺氢装置掺混过程及掺氢比对管道运行参数影响研究

由于天然气与氢气的物性差异，氢气掺入天然气管网后会改变管线内气体物性条件，掺混均匀程度以及掺氢比均会对管道、设备的性能带来不同程度的影响。储罐是输气管线中最常见的组件，本文以储罐为基础提出了单管分级掺氢、多管多汇单次掺氢两种掺氢方案，并采用FLUENT软件建立储罐模型进行动态掺混仿真，结果表明单管分级掺混方案相较于多管多汇单次掺混方案能取得更好的掺混效果。为了探究不同掺氢比气体通过单管单汇方案储罐和以上两种掺氢方案对管道运行的影响，本文采用HYSYS软件分别建立对应工艺流程模型进行工艺模拟，结果表明，三种方案的储罐内压力排序为：多管多汇单次掺氢>单管单汇储罐>单管分级掺氢；此外，随掺氢比增加，管道压力和温度增大，而压降、温降减小。总体而言，本文提出的基于储罐的掺氢方案具有结构简单、加工方便、成本低、掺混效果和掺氢比适应性相对较好等优点，此外不同掺氢比下HYSYS工艺模拟结果对于掺氢管线的运行分析也有参考意义。     

甲烷/空气预混气体火焰的传播特征

利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰的传播特征。结果表明,当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧转变成湍流燃烧,并形成Tulip火焰结构;当甲烷含量偏离当量值一定程度时,预混火焰呈现出典型的层流燃烧特征,不会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程。Tulip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度的绝对值大于某一数值时才能形成;Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。     

天然气掺氢管道输运及终端应用

氢能是最有潜力的碳中和清洁能源载体,天然气掺氢在管道输运和终端应用方面具有优势。本文调研了国际上具有代表性的天然气掺氢研究及示范项目,分析了天然气掺氢管道输运和终端应用的可行性和经济性。研究结果表明：低比例的氢气（20%体积比以内）加入天然气管网系统中并不会明显增加相关事故风险及危害,对系统进行轻微改造的情况下最高可以允许50%体积比氢气加入天然气管网系统。通过经济性分析核算了天然气掺氢的成本,给电厂进行天然气掺氢提供参考。鉴于各个国家在天然气成分、管道条件和管道材料上的不同,我国应根据实际的管路、气体具体情况开展对于天然气掺氢的分析研究。     

微小空间内丙烷/空气火焰传播特性与加氢爆燃实验

在内径150 mm的圆盘狭缝微型燃烧室内,实验探讨了在常温常压下,不同当量比的丙烷/空气预混气以及掺氢的丙烷/空气混合气在电火花点火后向外传播的特性,通过高速摄影方法获得了在狭缝间距为2.0、2.5、3.0、5.0 mm时微燃烧室内的火焰传播形态。实验中观察到火焰传播存在光滑、皱褶和断裂三种火焰锋面形态。当量比的增加和狭缝间距的减小会使火焰更容易发生褶皱。随着火焰的传播,火焰半径逐渐增大,火焰传播速度整体呈下降趋势。火焰传播速度随着间距的减小先增大后减小,在间距3 mm时最大。因为壁面散热的影响,微尺度效应在降低火焰传播速度和增加火焰不稳定性方面具有重要作用。掺入氢气能提高预混气的火焰传播速度,在间距2.5 mm的微燃烧腔中还观察到了爆燃现象。     

基于STAMP模型的掺氢输送放空系统风险分析

随着掺氢运输迅猛发展，原有的放空系统又产生了新的安全隐患和风险因素。为了保障掺氢管道放空作业时设备和人员的安全，本文基于事故分析模型，通过分析掺氢管道的放空流程，确定放空系统失效事故的安全约束条件，建立放空作业控制与反馈模型，识别控制模型中潜在的不安全控制行为，确定不同的不安全控制行为产生的风险及对应的安全约束，对掺氢管道的风险性进行分析研究，提高掺氢管道放空作业的安全性。     

当量比对预混燃烧影响的大涡模拟研究

本文对在突扩燃烧室内甲烷和空气的预混燃烧进行了大涡模拟(LES)研究,考虑预混燃料的当量比对燃烧室提供的动力及产生的污染物的影响．利用LES计算了不同当量比条件下燃烧室内湍流预混燃烧反应流场的温度、浓度、涡量和压力分布,最后对当量比0.5时B点和C点的温度和速度进行EMD分解,得到了温度场和速度场的各阶模态的平均周期．结果表明：随着当量比从0.5增加至0.7,燃烧反应趋于剧烈,燃烧室的最高温度提高了350K,平均压力从32.876 Pa增大到34.833Pa,燃烧产生的瞬态径向最高浓度从0.5%增加到0.95%．     

掺氢天然气管道完整性评价技术的进展与挑战

“双碳目标”背景下，我国积极推进掺氢天然气管道发展，本文总结了国内外掺氢天然气管道完整性评价方面的研究进展与挑战，得到主要结论如下。（1）现有金属材料相容性试验结论不明确，亟需制定国际统一的金属材料掺氢相容性试验标准；掺氢后管材、焊缝性能劣化规律不清晰，需系统地开展相关试验，揭示其氢损伤机理。（2）天然气管道非金属密封材料在氢环境中的密封性能及力学性能尚不明确，亟需开展相关试验以探索其性能规律；工程上缺乏高性能的非金属输氢管道，需研发低渗透耐侵蚀的输氢管材。（3）现有无损检测技术对掺氢后天然气管道的适用性研究不足，需改进或研发更高精度的无损检测工具以满足掺氢条件下对缺陷检测精度的要求。（4）掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法研究仍处于初级阶段，需要以丰富的试验数据为基础开展耦合考虑氢介质与应力状态的管材微观损伤本构研究，完善掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法。本文可为掺氢天然气管道安全保障相关研究提供参考。     

汽油蒸气/空气预混火焰的无拉伸层流燃烧速率

为了研究汽油蒸气/空气的爆炸特性,介绍了汽油蒸气/空气预混火焰的无拉伸层流燃烧速率。通过实验研究了无拉伸层流燃烧速率,与汽油的主要组分异辛烷和正庚烷与空气的预混火焰层流燃烧速率做了对比,发现汽油蒸气/空气的无拉伸层流燃烧速率小于异辛烷和正庚烷与空气的预混火焰无拉伸层流燃烧速率,但无拉伸层流燃烧速率随当量比的变化规律相同,随着当量比增大,无拉伸层流燃烧速率呈先增大、再减小的变化趋势,最大值在当量比为1处取得。     

点火条件对密闭管道内预混氢气/空气燃爆特性的影响

基于流体动力学软件Fluent,开展数值模拟,研究点火位置（距管左端壁面100、200和500 mm）、点火温度（1 000、1 500和2 000 K）和点火面积（管左端壁面处半径为50、35和20 mm的点火域）等点火条件对1 000 mm密闭管道中预混氢气/空气（H₂/air）燃爆特性的影响。研究表明:点火位置距管左端壁面越远,中间节点处温度越高,温升越快;不同点火温度下管内最高温升速率基本同步,且提高点火温度,使得燃烧反应更剧烈,能提高管内气体温升速率,但却降低管内的压力峰值;点火面积越小,预混H₂/air燃烧前期温升越快。当采用半径为35 mm的点火域和点火位置距管左端壁面100 mm的点火方式时,预混H₂/air燃爆的各项参数相对较高。不同点火条件对密闭管内气体的动能和内能的影响规律类似于其对管内气体的流速和温度的影响规律,而对涡量的影响不明显。     

掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

含氢多组分燃料由于其优良的燃烧特性逐渐成为研究关注的重点。为了对掺氢燃料的爆轰特性作进一步的研究，设计了长3 000 mm、管径30 mm的圆柱形半封闭燃烧室，对不同初压下的CH₄-2O₂、6CH₄-H₂-12.5O₂、3CH₄-H₂-6.5O₂（掺氢比分别为0%、5.1%、9.5%）3种预混合气的爆轰特性进行了实验研究，并采用烟熏膜、离子探针和压力传感器分别探测胞格结构、火焰位置和内部压力。结果表明，甲烷/氧气掺氢后可以有效提高爆轰波的传播速度，且掺氢浓度越高，传播速度越快；同时，氢气的掺入可减少管道出口处的速度亏损并在初始压力较低时加速火焰和激波的耦合，降低胞格尺寸，提高爆轰敏感性。     

掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展

利用天然气管输系统混输氢气，能实现氢气大规模、低成本、长距离输送，但掺氢混输带来更严峻的安全、技术挑战。本文围绕输送工艺及关键设备、管材相容性与寿命预测、泄漏监测检与风险评估、标准体系建设几项关键技术，探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全问题。建议统筹规划输送网络，改进关键管输工艺与设备，建立输运协同应急与智慧决策大数据平台，制定掺氢天然气管道输送规范标准，逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。     

CH4/O2/CO2预混体系爆炸动力学研究

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH₄/O₂/CO₂预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境温度下,化学当量比φ=0.8~1.0且氧气相对比γ<0.30和φ=1.2且γ<0.35的预混体系不能被点燃,而其他预混体系均可被点燃,最终产生郁金香与非郁金香两种火焰类型,并且根据郁金香火焰独特的演变特征,又划分为T形郁金香火焰和不对称郁金香火焰;随着γ的增大,无量纲火焰传播速度v/(S_Lσ)的变化趋势由“两升两降”转变为“一升一降”。初始环境温度的升高并未对火焰传播速度和爆炸超压的变化趋势产生影响,但是会导致最大爆炸超压p_max和最大火焰传播速度降低。值得注意的是,初始环境温度对爆炸强度的影响随化学当量比的减小而增强。另外,与最大爆炸超压相比,最大火焰传播速度与层流燃烧速度之间的关系更紧密。从敏感性分析中可知:层流燃烧速度对自由基链式反应R38(即H+O₂=O+OH)表现出最大的正敏感度,对R52(即H+CH₃(+M)=CH₄(+M))表现出最大的负敏感度,并且对自由基OH的生成速率最敏感,当初始环境温度升高至303 K时,层流燃烧速度对R38(正)和R52(负)的敏感度降低;H、O和OH自由基总摩尔分数的增大会削弱热扩散的不稳定性,增强流体力学的不稳定性。     

长距离管道纯氢与天然气掺氢输送技术专题序

<正>氢能利用涉及到制氢、储氢、输氢、用氢等全产业链。作为我国绿氢主要产地的风光大基地集中于“三北”地区，而氢气消费大户却主要分布在东部特别是沿海地区，绿氢生产和消费空间错配，客观上要求大规模储运调配以有效衔接供需。然而，当前氢能储运成本约占到“制储输用”全产业链总成本的30%～40%，已成为制约其发展的核心问题。氢能储运模式中，长距离管道纯氢与天然气掺氢输送是实现氢能大规模、网络化输送最有潜力的技术，尤其是利用已有天然气管网进行少量改造实现天然气掺氢输送，更能节约大量基础设施建设费用。     

可压缩燃烧反应转捩混合层直接数值模拟

针对三维时间发展可压缩氢/氧非预混燃烧反应平面自由剪切混合层,采用5阶迎风/6阶对称紧致混合差分格式以及3阶显式Runge-Kutta时间推进方法,直接数值模拟了伴随燃烧产物生成和反应能量释放, 流动受扰动激发失稳并转捩的演化过程. 在转捩初期, 获得了${\it\Lambda}$涡、马蹄涡等典型的大尺度拟序结构,观察到了流动失稳后发生双马蹄涡三维对并的现象, 大尺度结构呈较好的对称性.在流动演化后期, 大尺度结构逐次破碎形成小尺度结构, 混合层进入转捩末期,呈明显的不对称性.      

预混燃气高压不稳定燃烧实验研究

以冲压加速器为工程背景,着重研究预混燃气高压不稳定燃烧问题。采用实验方法,分析预混燃气装填压力、配比等因素对不稳定燃烧的影响;采用频谱分析方法,分析诸因素对压力振动特性的影响。实验给出的预混燃气的装填压力及配比的范围,可直接应用于冲击加速器射击实验,这对于减少冲压加速器高压异常事故具有重要的实际意义。     

预混燃气高压不稳定燃烧实验研究

以冲压加速器为工程背景,着重研究预混燃气高压不稳定燃烧问题.采用实验方法,分析预混燃气装填压力、配比等因素对不稳定燃烧的影响;采用频谱分析方法,分析诸因素对压力振动特性的影响.实验给出的预混燃气的装填压力及配比的范围,可直接应用于冲击加速器射击实验,这对于减少冲压加速器高压异常事故具有重要的实际意义.     

方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。     

氢气定容燃烧的实验研究

利用定容燃烧弹和高速数据采集系统对氢气定容燃烧进行实验研究,得出氢气定容燃烧压力变化过程、燃烧爆压及爆炸常数的变化规律。研究结果表明:中心点火定容燃烧的压力变化过程为:从开始的火花跳火干扰到平稳的等压燃烧,再到压力的慢速和快速增加,在燃烧的中后期会出现压力振荡;在非燃烧极限工况下,随着燃空当量比的增加燃烧爆压先增加后减小,随着初始压力的升高燃烧爆压几乎线性增加,随着温度的增加燃烧爆压和最大燃烧爆压都减小;随着燃空当量比的增加爆炸常数先增加后减小,在燃空当量比小于4.0的工况,燃烧爆炸常数随初始压力的升高而增加,而燃空当量比大于4.0的工况随着初始压力的升高而下降;在燃空当量比小于2.5时,燃烧爆炸常数随温度升高而减小,在燃空当量比大于2.5时,则正好相反。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果，采用自主搭建的爆炸实验平台，探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明，不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时，爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低，并在厚度较大时，火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时，预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄，但随后一段时间内，由于负压抽吸作用，在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象，且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率，同时可吸收能量，进而提高爆炸超压的上升速率，降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时，与当量比为1的预混气体爆炸相比，超压峰值最大可提高约2倍，造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄，最大超压衰减可达47.17%，δ=30时最大超压衰减了24.62%。