受限空间内氢/空气预混火焰与压力波相互作用的规律与机制研究

Pressure wave has an important influence on the premixed flame dynamics in confined spaces. Understanding of the interaction of premixed hydrogen/air flame with pressure wave is of great significance for both the development of combustion science and the safety of hydrogen as energy carrier. This project aims to investigate the characteristics and underlying mechanisms of the interaction between premixed hydrogen/air flame and pressure waves in confined spaces using experimental methods, theoretical analysis and computational fluid dynamic (CFD) technique. The study will be performed by regularly varying the key parameters/conditions, such as equivalence ratio, geometry and blockage ratio. The relations between the pressure wave and the characteristic flame parameters, including the flame micro-structure, shape, propagation speed and pressure rise, will be analyzed in detail. The dynamics mechanisms of the flame propagation and sudden changes under the influences of pressure wave will be then revealed. Subsequently, the critical criteria and analytical model of the premixed hydrogen/air flame acceleration and its sudden changes can be developed. Furthermore, the characteristic features (e.g. the dispersion relation and growth rate) of Rayleigh-Taylor (R-T) instability of premixed hydrogen/air flame, which is driven by pressure wave, will be scrutinized. And the quantitative relationship between the R-T instability and flame speed will be elucidated. Based on this, a theoretical model of the R-T instability of premixed hydrogen/air flame can be achieved. Finally, the effects of the R-T instability will be coupled with CFD flame model, improving the current numerical approaches of premixed hydrogen/air flame dynamics. The research of the project can provide theoretical and technical supports for hydrogen safety and its applications as an energy carrier.

压力波对受限空间内预混火焰动力学过程有重要的影响，研究氢/空气预混火焰与压力波的相互作用对燃烧科学的自身发展和氢能源的安全利用均具有重要意义。本项目拟采用实验测量、理论分析和计算流体动力学（CFD）模拟，系统地研究不同关键参数条件（当量比、几何尺寸、阻塞率等）下受限空间内氢/空气预混火焰与压力波相互作用的动力学规律与机制；揭示压力波作用下火焰传播和突变的动力学机理; 通过分析火焰微观结构、形状、速度、压力等特征参数与压力波特性之间的相互关系，建立压力波作用下的氢/空气预混火焰加速传播和突变的临界判据与理论模型；阐明压力波驱动的氢/空气预混火焰瑞利-泰勒（R-T）不稳定性的色散关系、增长速率等特性，建立其与火焰速度之间的定量关系；发展氢/空气预混火焰R-T不稳定性理论模型；将R-T不稳定性扰动效应与CFD燃烧模型耦合，完善氢/空气预混火焰传播的数值模型与方法，为氢能源安全利用提供理论支撑。

受限空间中预混火焰动力学研究对促进火灾爆炸安全科学发展和提高内燃机性能均具有重要的意义。火焰与压力波的相互作用是主导受限空间中火焰传播的关键因素之一，也是影响事故后果的重要因素。一方面，火焰在运动过程中产生压力波，而其强度又取决于火焰本身的速度和加速过程。另一方面，压力波又可对火焰形成扰动和正反馈效应，增强火焰不稳定性，促进火焰加速和突变。. 本项目严格按照研究计划开展工作，系统地研究了受限空间中氢-空气预混火焰与压力波的相互作用的特性和规律，深入探讨了压力波的产生、运动及其对火焰动力学的影响，揭示了压力波驱动下的火焰不稳定性内在机理。本项目主要内容及重要结果如下：（1）阐明了点火位置、壁面导热、壁面摩擦、以及管道尺寸、形状和长宽比等因素对压力波与火焰相互作用的影响；靠近管道端头壁面点火时，压力波较为强烈并导致显著的火焰不稳定性和变形Tulip火焰；弯曲管道火焰传播的影响取决于火焰通过弯曲结构时的不稳定性特征；空间长宽比越大，压力波与火焰相互作用越激烈；壁面摩擦对压力波与火焰相互作用影响较小；（2）开发了基于高精度数值方法的全可压反应性计算流体动力学（CFD）代码，可用于不同流动机制的流动和燃烧问题的准确计算；建立了基于增厚火焰方法的氢-空气燃烧模型，完善了氢气大涡模拟燃烧模型；（3）通过CFD计算和理论证明了压力波作用下的瑞利-泰勒（RT）不稳定性是变形Tulip火焰及其后续不稳定性发展的控制机理。建立了变形Tulip火焰RT不稳定性的色散关系与理论分析模型，给出了RT不稳定性的理论增长速率，揭示了RT不稳定性的时间尺度为控制变形Tulip形成的关键因素；（4）管道中高压氢气泄漏自燃及其向火焰发展的两个关键因素：激波强度与管道长度。. 本项目研究目标具有重要的意义，研究工作取得了有价值的成果。截止结题，本项目共发表15篇SCI期刊论文，出版英文专著1部，取得授权发明专利2项，培养了博士、硕士研究生2名，较好地完成了预期目标。