高压氢气/甲烷混合气体泄漏激波传播特性研究

摘要

在以传统化石能源为主体到纯氢气大规模应用的过渡阶段，氢气/甲烷混合气体作为氢能的重要载体，是氢能应用体系的重要组成部分，而高压氢气/甲烷混合气体泄漏自燃威胁着氢能的大规模安全应用.另一方面，在氢气中加入少量甲烷可以在一定程度上降低其自燃倾向，从而提高氢能高压储存和运输的安全性.泄漏过程中激波造成的局部区域温度急剧升高是引发氢气/甲烷混合气体自燃的直接原因，也是决定自燃特性的关键因素.为此，本文聚焦高压氢气/甲烷混合气体泄漏过程中激波演化过程和特性参数，基于改进高压可燃气体泄漏自燃实验系统开展实验研究.实验结果显示：爆破片破裂后首先在泄漏管道内形成前沿激波，并且随着激波的传播，前沿激波与氢气/甲烷混合气体主射流距离越来越大.与此同时，在矩形管道角落处产生反射激波，最终在泄漏管道内形成复杂的多维反射激波.泄漏压力增大，激波压力和激波传播速度明显增大；掺甲烷比例增大，激波压力和激波传播速度明显减小.基于激波管流动理论，结合美国国家标准与技术研究院物性数据库构建了高压氢气/甲烷混合气体泄漏激波特性参数计算模型.通过文献数据和本文实验数据对比分析，证实了优化后的激波特性参数计算模型在高压氢气/甲烷混合气体泄漏激波特性参数计算中的适用性.研究结果可为高压氢气/甲烷混合气体泄漏自燃现象提供理论依据以及为相关实验设计提供参考.

关键词

氢气/甲烷混合气体 / 高压泄漏 / 激波 / 自燃 / 理论计算

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52174200,52004208); 陕西省自然基础科学研究资助计划(2025JC-YBQN-473,2024JC-YBQN-0399); 陕西省教育厅专项科研计划资助项目(24JK0554)