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当前，气体爆炸事故影响我国多种行业的安全发展，气体爆炸灾害效应仍然是广大科研工作者的研究重点。统计显示，仅2024年上半年，我国发生的燃气事故累计181起，造成27人死亡、158人受伤[1]。受限空间较开敞空间更易积聚气体，气体泄露后与空气混合，达到爆炸极限后，与点火能接触即可发生爆炸[2–3]。因而，爆炸事故多发生于厂房、地下空间等受限空间[4–6]。气体爆炸也易受空间内多种约束条件（如障碍物）的影响，造成显著的促爆效应[7–8]，导致障碍物环境中的气体爆炸危害程度显著高于无障碍物环境[9–10]。
已有的研究报道大多将障碍物看作理想的刚体，忽略了障碍物的物质属性及其在爆炸环境中的表现对爆炸危害的影响。为此，学者们将气体爆炸环境中能够产生形变、弯曲、倾倒等效应的物体定义为柔性障碍物[11]，反之，则称为刚性障碍物，并分别开展了爆炸特性研究。对于刚性障碍物对气体爆炸特性的影响：徐阿猛等[12]发现，爆炸火焰波在经过不同刚性障碍物时均会发生明显绕流，加速火焰波传播，并且障碍物尺寸越大，爆炸压力峰值越高；Xiu等[13]、Wang等[14]、Duan等[15]的研究表明，增加障碍物数量时，湍流强度与压力损失之间存在竞争机制，火焰速度及爆炸压力与障碍物数量呈正相关；雷桐桐[16]发现，随着障碍物数量的增加，火焰速度和超压峰值的增幅逐渐减小。对于柔性障碍物对气体爆炸特性的影响：王哲石[17]发现，膜状柔性障碍物越接近爆炸火焰和冲击波，所受合力越大，致使障碍物产生拉伸，并发生类锥形形变；焦一飞等[18]验证了促爆强度与障碍物材质的相关性，得出爆炸强度指数与柱状柔性障碍物的弯曲强度成正比。另外，研究显示，柔性障碍物在爆炸场域内的弯曲表现导致不同类型的流场分离现象，阻碍剪切层重新附着在障碍物上，从而降低爆炸危害[19–21]。
掺氢天然气作为氢能源的主流利用形式之一，能够在确保安全利用的同时，实现氢能源和天然气能源的有效利用，我国如国家电投-辽宁朝阳天然气掺氢示范现场等项目的掺氢比例已达10%[22]。天然气的主要成分是甲烷，因此，掺氢甲烷的燃烧和爆炸特性成为爆炸防治领域的研究重点。有研究者提出，将燃气管线并入综合管网以实现运输至各个终端[23–25]。然而，针对复杂的管廊输送工程，其内部设定的固定（刚性）和非固定式（柔性）多重约束设施将加剧爆炸场域内火焰、流场、压力荷载等的演化特性。工程中用于支撑的固定结构的尺寸通常较非固定结构大，对于管廊这类燃爆事故场所，柔性管线系统、固定梁结构、可移动标志牌以及固定式钢结构等不同类型的部件往往位于管廊内部，在这些双重异性特征障碍物的耦合作用下，气体爆炸特性差异尚未予以揭示，为燃爆防治工作带来了难题。为此，本研究综合考虑管廊的实际场景，选用阻塞率为0.6的刚性障碍物，探究刚性和柔性两种不同物质属性的障碍物下掺氢甲烷气体的爆炸特性，以期为爆炸安全设施布局提供理论和数据支撑。
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如图1所示，实验平台包括爆炸测试管道、供气系统、压力采集系统、火焰数据采集系统。爆炸测试管道的材质为透明有机玻璃，尺寸为100 cm×10 cm ×10 cm。供气系统包含1个装有甲烷气瓶（甲烷纯度99.99%）和氢气气瓶（氢气纯度99.99%）的防爆储柜、1个圆柱形空气压缩机、3个额定流量为5 L/min的质量流量计。压力采集系统由2个PCB压电式传感器、冲击波测试仪、压力采集主机和软件Tytest Date Veiw组成，传感器的采样频率为50 kHz。火焰数据采集系统包含高速摄像机（Phantom V710L）、火焰采集主机以及软件PCC 3.8，其中PCC 3.8的采集频率为
2000 幅/秒，分辨率设为1280 ×480像素。单次实验中火焰和压力的采样总时间均设置为200 ms。图2显示了实验工况。定义甲烷体积分数（
$\varphi_{{\mathrm{CH}}_4} $ ）为甲烷占容器内总混合物（甲烷和空气）的体积分数，设定为9.5%；定义掺氢比为氢气占容器内注入的混合燃料（甲烷和氢气）的体积分数，设定为10%。以无障碍物环境工况作为空白对照；首先考虑同种燃料浓度中刚性障碍物与柔性障碍物混合环境中甲烷的燃爆特性随柔性障碍物阻塞率（障碍物高度与管道高度之比）的变化，其中，刚性障碍物的阻塞率（br）固定为0.6，柔性障碍物的阻塞率（bf）以0.2的梯度变化；而后，考察在同种刚性障碍物与柔性障碍物组合环境中掺氢对甲烷燃爆特性的影响。障碍物的安装位置参考文献[10, 15]，即刚性障碍物距点火端40 cm，柔性障碍物距点火端50 cm。按照图2所列工况开展实验，为减少实验误差，每组实验进行3次。 -
图3显示了无障碍物工况下火焰的结构变化。可以看出：火焰结构可以分为4个阶段，即半球形阶段（5.0～10.0 ms）、指形阶段（20.0～35.0 ms）、平面火焰阶段（40.0～45.0 ms）、郁金香形火焰阶段（65.0～110.0 ms）；110.0 ms时，火焰传至右端泄爆口。Yu等[20]发现，距点火端40 cm处压力促进机制最显著，柔性障碍物在一定程度上降低了燃爆风险。为此，在刚性障碍物的基础上引入柔性障碍物，探究柔性障碍物对燃烧和爆炸特性的影响，结果如图4所示。从图4可以明显看到，双重障碍物对火焰早期形状几乎无影响，火焰仍然呈球形和指形，只是这两个阶段的起始时间较图3有所延迟。这主要归因于甲烷燃爆冲击波撞击刚性障碍物时，中下部冲击波几乎完全反射，反作用于火焰发育过程，抑制火焰传播。在双重障碍物作用下，火焰传至右侧泄爆口处的时间提前，较图3所示时间分别提前57.5、59.0、61.0 ms；随着柔性障碍物阻塞率的增加，火焰锋面传至泄爆口的时间逐渐缩短，且相差时间间隔较短（1～2 ms）。柔性障碍物的阻塞率越大，对火焰和流场的扰动越强烈（柔性障碍物的弯曲和倾倒导致爆炸环境中柔性障碍物的实际阻塞率总是小于0.6），说明刚性障碍物对火焰的传播仍占主导作用[14, 19]。
图5显示了刚柔双重障碍物工况下掺氢甲烷燃爆火焰结构变化。对比图4和图5可知，氢气的掺入增加了甲烷的燃烧效率，在双重障碍物工况下，球形和指形火焰阶段的时间提前，但较无障碍物工况有所延迟，此时障碍物的反射冲击波效应占据主导作用。火焰到达刚性障碍物上方时，中下部火焰发育被抑制，上部火焰受到的反射作用较弱，这种差异导致拉伸现象形成，火焰的拉伸效应随着氢气的掺入有所加剧，且火焰尖端出现尺寸各异的涡旋，标志着火焰由各向同性阶段转变为各向异性阶段，即火焰出现涡旋反向回流燃烧至管内上游区域。随着时间的进行，掺氢也导致同一双重障碍物工况下火焰传递至右侧泄爆口的时间提前。
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根据7种工况下的火焰径向传播距离计算火焰锋面的传播速度和火焰前锋位置的变化过程，结果如图6所示。定义火焰传播至刚性障碍物上方时的速度为接触速度，图7显示了不同工况下接触速度（vc）和最大速度（vmax）的对比。可以看出，较无障碍物工况，双重障碍物的置入大幅缩短了火焰传播时间，纯甲烷（未掺氢）燃爆火焰传至右侧泄爆口所需时间约60 ms，而掺氢甲烷则需要约55 ms。结合图6和图7可以看出，无障碍物工况中接触速度与最大速度一致，均出现在距点火端40 cm处。甲烷燃爆的接触速度随着柔性障碍物阻塞率的增加而增大，较无障碍物工况，分别提高139.18%、158.23%、165.99%；掺氢则加速接触速度的变化，较无障碍物工况，分别提高143.93%、160.25%、176.51%。采用火焰锋面的最大速度衡量火焰传播过程快慢。由图7可知，对于同一燃料组分条件下的最大锋面速度，双重障碍物工况较无障碍物工况分别提高296.18%、301.12%、313.66%，与接触速度相似，掺氢对火焰最大速度的贡献也有所增加，较无障碍物工况下的最大速度分别增加298.52%、305.45%、316.40%。以上火焰速度数据表明，刚柔障碍物混置条件下，随着柔性障碍物阻塞率的增加，火焰传播速度加快，柔性障碍物对火焰传播过程的作用越显著，但仍以刚性障碍物的阻塞效应为主导。
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设管道内距点火端0～50 cm为上游区域，距点火端50～100 cm为下游区域，传感器1测量上游压力变化，传感器2测量下游压力变化。图8为不同工况下上游和下游区域的压力时程曲线。管内压力经历3个阶段：初始压力上升阶段、最大爆炸压力形成和衰减阶段、终端压力回升阶段。较无障碍物工况，双重障碍物影响最大爆炸压力形成前的阶段性过程，表现为最大爆炸压力（pmax）形成前爆炸压力先升后降，甚至出现负压。与上游区域的峰值压力相比，下游的顶峰部位振荡现象更为明显，且下游区域的峰值压力高于上游区域的峰值压力。图9(a)给出了双重障碍物下甲烷与掺氢甲烷较无障碍物工况（工况1）下管内最大爆炸压力的对比。结合图8和图9可得，上游区域的爆炸压力远小于下游区域的爆炸压力。管内最大爆炸压力分布与火焰速度的表现一致：同一燃料浓度下，爆炸压力随着柔性障碍物阻塞率的增加而增大；无障碍物工况下，上、下游区域的最大爆炸压力分别为14.42、18.12 kPa；柔性障碍物阻塞率为0.2的工况下，上、下游区域的最大爆炸压力分别提高了919.00%和
1210.93 %。随着氢气的掺入，最大爆炸压力有所提升，在柔性障碍物阻塞率为0.2的条件下，掺氢甲烷的上、下游最大爆炸压力增幅是无障碍环境下的971.22%、1263.02 %，且最大爆炸压力随着柔性障碍物阻塞率的增加而增大，阻塞率为0.6时达到最大，增幅分别为1117.27 %、1280.85 %。从图9(a)还可以看出，双重障碍物对爆炸压力的增幅效果远高于对火焰速度的增幅效果。因此，探究爆炸压力的提升过程可为燃爆危害防控提供借鉴。以5 ms为时间间隔，得到从零时刻到最大爆炸压力时刻的压升率（dp/dt）变化曲线，如图9(b)所示。无障碍物工况下，上、下游区域的压升率变化近似为直线；双重障碍物工况下，压升率曲线与爆炸压力曲线的表现一致，最大压升率随着柔性障碍物阻塞率的增加而增大，并且掺氢加速了管内燃烧效率，缩短了压力上升过程，这也是图8和图9(a)中压力峰值出现的原因。Xiao等[9]、Cui等[26]提出用爆炸强度指数（最大压升率与最大爆炸压力的乘积）衡量爆炸危害程度。不同工况的爆炸强度指数如图9(c)所示。可以看出，双重障碍物对于降低管内爆炸危害程度做出了主要贡献，氢气则在此基础上发挥了进一步的促进作用，同一燃料浓度下后置柔性障碍物阻塞率为0.6时爆炸强度指数最大，是无障碍物工况下的154.95倍，而掺氢后则提升至167.65倍。
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如图10所示，在上游区域，压力演化的第1阶段是由于燃烧，燃烧热、冲击波与球形火焰一起向右传播，下部冲击波受到刚性障碍物的反射从而阻碍火焰传播，上部火焰受障碍物的反射作用较弱，上下部所受的冲击波作用诱导火焰出现拉伸效应。伴随着上部区域燃料的消耗以及冲击波挤压燃料将燃料输送至下游，上游区域的压力降低，甚至出现负压，如图8(a)所示。在第2阶段，火焰和冲击波越过障碍物上方，在刚性障碍物与柔性障碍物之间形成冲击波和高压气穴，引起更强烈的反射波，带动燃料反向运输至上游区域，导致压力逐渐增大并形成最大爆炸压力，随后燃料和空气的消耗以及冲击波和火焰由泄爆口流出[27]诱发压力峰值下降，火焰传播过程伴随着柔性障碍物的扰动，表现为柔性障碍物的阻塞率越大，扰动越明显，压力峰值亦如此。第3阶段是压力回升阶段，表现为压力的平衡条件，随着管内燃烧爆炸过程的持续，流向外界的冲击波和产物使压力下降，外界压力迫使空气向管内输送[28]。在下游区域，3个阶段的形成过程中总是伴随着障碍物扰动和燃料集聚，火焰和冲击波持续存在，因此，最大爆炸压力出现前并未出现压力下降阶段。
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通过实验探究了双重异性障碍物下掺氢甲烷的燃爆压升效应，系统分析了火焰结构、火焰传播速度、爆炸压力、压升率等参数，揭示了其演化机制，得到如下主要结论。
(1) 双重障碍物导致球形、指形、平面形和郁金香形火焰锋面延迟形成，但火焰锋面传播至泄爆口的时间提前，且柔性障碍物阻塞率为0.6时传播速度最大，与无障碍物工况相比，火焰接触速度增幅达165.99%，最大速度增幅为313.66%，掺氢后火焰接触速度增幅为176.51%，最大速度增幅为316.40%。
(2) 双重障碍物影响爆炸压力的阶段性变化，上游区域出现压力先升后降现象，下游区域压力振荡明显，最大爆炸压力增大。随着柔性障碍物阻塞率的增加，管内最大爆炸压力增大，掺氢可提升最大爆炸压力。当柔性障碍物阻塞率为0.6时，最大爆炸压力最大，掺氢后，与无障碍物工况相比，上游区域增幅达
1117.27 %，下游区域增幅达1280.85 %，表明双重障碍物对爆炸超压的影响高于对火焰速度的影响。(3) 双重障碍物对于降低爆炸危害程度的贡献随柔性障碍物阻塞率的增加而增大，氢气的作用相对较弱。后置柔性障碍物的阻塞率越大，爆炸强度指数越大；柔性障碍物阻塞率为0.6时，较无障碍物工况，同一燃料浓度下爆炸强度指数的增幅倍数约为161.54，掺氢后提升至167.65倍。
(4) 在实际的构筑物建设过程中，当刚性障碍物的阻塞率较大时，应尽可能地确保后置柔性障碍物的阻塞率小于刚性障碍物，从而实现燃爆安全设施的有效性，降低燃爆事故灾害后果。
双重异性障碍物下掺氢甲烷的燃爆压升效应
Pressure Rise Effect of Hydrogen-Methane Mixture Combustion under Dual Heterogeneous Obstacles
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摘要: 气体燃爆灾害特性是国内外研究的热点和重点，研究复杂约束条件下的燃爆特性极具意义。针对刚性障碍物和柔性障碍物，通过实验探究了长直形管道中双重异性障碍物下掺氢甲烷气体的燃爆过程。结果表明：较无障碍物环境，双重障碍物对火焰速度、爆炸压力以及爆炸强度指数的影响表现为随柔性障碍物阻塞率的提高和掺氢的置入而提升，并且爆炸压力和爆炸强度指数的增幅高于火焰速度的增幅。在掺氢和双重障碍物的共同作用下，火焰接触速度增幅可达176.51%，最大速度增幅达316.40%。双重障碍物导致上游区域出现压力先升后降现象，下游区域的压力振荡明显；掺氢后，与无障碍环境相比，管内最大爆炸压力增幅可达
1280.9 %，最大爆炸强度指数提升至167.65倍。在约束设施布局工程项目中，应首选较小阻塞率的柔性障碍物，以有效减轻爆炸危害。Abstract: The disaster characteristics of gas combustion and explosion are hot and key topics in domestic and international research. Studying the combustion and explosion characteristics under complex constraint conditions is of great significance. Regarding rigid and flexible obstacles, the combustion and explosion process of hydrogen-doped methane gas in a long straight pipeline with double heterogeneous obstacles was explored through experiments. The results show that, compared with the obstacle-free environment, the influence of double obstacles on the flame speed, explosion pressure, and explosion intensity index increases with the increase in the blockage ratio of the flexible obstacle and the addition of hydrogen. Moreover, the increase in explosion pressure and explosion intensity index is greater than that of the flame speed. Under the combined action of hydrogen addition and double obstacles, the flame contact speed can increase by up to 176.51%, and the maximum speed can increase by up to 316.40%. The double obstacles cause the pressure in the upstream region to rise first and then fall, and the pressure oscillation in the downstream region is obvious. After hydrogen addition, compared with the obstacle-free environment, the maximum explosion pressure in the pipeline can increase by up to1280.9 %, and the maximum explosion intensity index can increase to 167.65 times. In the layout engineering projects of constraint facilities, flexible obstacles with a smaller blockage ratio should be preferred to effectively mitigate the consequences of explosion hazards.-
Key words:
- gas explosion /
- dual obstacles /
- flame speed /
- explosion pressure /
- explosion intensity index .
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图 3 无障碍物条件（工况1）下甲烷燃爆火焰结构变化
Figure 3. Structural changes of methane explosion flame under obstacle-free condition (Case 1)
图 4 刚柔障碍物工况下甲烷燃爆火焰结构变化
Figure 4. Structural changes of methane explosion flame under rigid-flexible obstacle conditions
图 5 刚柔障碍物工况下掺氢甲烷燃爆火焰结构变化
Figure 5. Structural changes of hydrogen-methane mixture explosion flame under rigid-flexible obstacle conditions
图 6 各工况下火焰锋面传播速度和火焰前锋位置随时间的变化
Figure 6. Changes in flame front propagation speed and flame front position with time under all conditions
图 7 不同工况下接触速度（vc）与最大速度（vmax）的关系
Figure 7. Relationship between contact speed (vc) and maximum speed (vmax) under different conditions
图 8 不同工况下爆炸压力随时间的变化
Figure 8. Deflagration pressure versus time under different experimental conditions
图 9 上游和下游区域的最大爆炸压力、压升率及爆炸强度指数的对比
Figure 9. Comparison of the maximum explosion pressure, pressure rise rate, and explosion intensity index
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