氢/空气预混火焰传播和突变的动力学机制及其抑制方法研究

This project aims to study the flame micro-structure and dynamics during premixed hydrogen/air flame propagation using experimental setup of fine flame structure, high-speed schlieren method, particle tracing technique, and laser diagnostic. The ion current probe, pressure sensor and fine thermocouple will be also applied in the experimental study of flame propagation. The experiment will be conducted by regularly changing the internal and external conditions/parameters (equivalence ratio, opening area, ignition energy and pressure). The effects of pressure, thermal-diffusion, turbulence and other parameters on flame instabilities will be analyzed. Then the flame propagation model can be achieved by coupling the detailed chemistry mechanism of hydrogen/air. The behaviors and mechanism of premixed hydrogen/air flame propagation, including the sudden-change mechanism of flame dynamics and the critical conditions, can be subsequently revealed. Based on the above investigation, the inhibition methods for premixed hydrogen/air flame, which couple the physical and chemical mechanisms, can be developed. Finally, the kinetics of premixed hydrogen/air flame inhibition will be revealed. The present study can provide theoretical and technical support for hydrogen safety and engineering applications.

利用火焰精细结构实验台、高速纹影摄像技术、粒子示踪技术、激光诊断技术，结合离子探针、压力传感器、微细热电偶等测量手段，通过有规律地改变氢/空气预混火焰传播的内在和外部条件参数（化学当量比、开口面积、点火源强度、压力等），研究氢/空气预混火焰传播过程中火焰微观结构和动力学参数的变化规律；通过分析压力、热扩散、湍流等因素对火焰稳定性的影响规律，建立耦合氢/空气详细燃烧化学反应机理的火焰传播预测模型，揭示氢/空气预混火焰传播的行为机制，以及火焰发生突变的动力学机理及临界条件；在上述研究的基础上，发展发展耦合物理化学作用的氢/空气预混火焰抑制方法，揭示其抑制的动力学机理，为氢能安全利用提供理论和技术支撑。

随着化石能源枯竭，环境污染问题严重，氢气作为一种新型清洁能源受到广泛的关注和青睐。然而，氢气点火能低，易泄漏，容易引发火灾爆炸等灾难事故。研究氢-空气预混火焰的传播特性及动力学过程，发展预混火焰抑制方法，对于实现氢能源的安全利用具有重要的战略意义。本项目研究了当量比、管道开口率、点火位置、管道形状等参数对预混氢-空气火焰动力学的影响规律，发现了tulip火焰变形的现象并首次提出了变形tulip火焰的概念。在实验研究的基础上，结合理论分析和数值模拟技术，研究了氢-空气预混火焰传播的行为机制和突变的临界条件。通过建立综合考虑压力、火焰自身扰动、热扩散、湍流等多重影响因素的燃烧速度模型，引入详细化学反应机理，模拟再现了预混火焰传播的动力学过程，建立了耦合多参数和详细化学反应机理的氢-空气预混火焰传播预测模型，揭示了tulip火焰和变形tulip火焰的形成机理。基于扩散点火理论，结合理论分析，研究了高压氢气泄漏激波传播特性、自发着火机理以及自燃火焰的发展规律。提出了理论点火压力的概念，建立了判断自燃发生与否的预测模型，揭示了影响自燃发生的因素，研究了自燃火焰的传播动力学，揭示了喷射火的形态演变机制。研究了多层金属丝网、陶瓷球等对管道中预混火焰的抑制作用，揭示了金属丝网层数、目数、陶瓷球直径等参数对火焰传播速度、管内压力以及声波的抑制规律。采用数值模拟方法，揭示了多孔板的孔隙率、阻力系数、厚度、布置位置等参数对预混氢-空气层流燃烧速度及压力的影响规律。.项目共发表论文29篇，其中SCI收录27篇，高影响区论文22篇，出版英文学术著作1部，获得授权发明专利2项。培养博士后2名，博士3名，其中1人获中国科学院“百篇优秀博士论文奖”。项目负责人应邀在11th International Symposium on Hazards, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosion做1小时大会特邀报告（Plenary Lecture），于2014和2017年两获中国科学院“优秀研究生指导教师奖”，2017年获国际火灾学会“贡献奖”。