氢能具有零碳、无二次污染的优点，将其掺入到天然气管网中，可实现低成本、大规模和长距离输氢。然而在天然气中掺入氢气后，由于氢气扩散速度快、可燃极限较宽（体积分数为4%~75%）、最小点火能低（0.02 mJ）和氢脆效应，会拓宽混合气的可燃范围，降低最小点火能，并增加输送管道的失效风险，从而容易发生泄漏、火灾和爆炸等安全事故。高压管道输送的纯氢/掺氢天然气在发生泄漏后如果立即点燃将会形成射流火焰，而延迟点火则可能形成爆燃甚至爆炸。因此，开展纯氢/掺氢天然气燃烧特性的研究对预测和评估潜在火灾风险很有必要[1-7]。
目前，已有学者对此展开了部分研究，Hall等[8]观测了压力为15.0 MPa和42.5 MPa时的氢气水平射流火焰，发现火焰的尺寸大小与存储压力、泄漏直径和质量流量有关，并得到了射流火焰长度和宽度的实验关联式；Lowesmith等[9]为研究天然气和掺氢天然气高压射流火焰的特性开展了大量实验，结果显示，天然气和掺氢天然气的火焰外形基本没有区别，但掺氢天然气的火焰尺寸小于天然气；花争立等[10]利用计算流体力学（CFD）软件Fluent对掺氢天然气射流火焰进行了数值模拟研究，最终得到了火焰温度分布、火焰尺寸与燃烧功率之间的关系。
由于氢气易燃易爆的理化性质及相关实验设备价格昂贵，针对架空输氢射流燃烧这类大尺度试验开展的研究较少。因此，本研究采用数值模拟的方法，得到了在不同压力、不同泄漏孔和不同掺氢比下的火焰高度大小和火焰温度分布等。研究结果可为高压纯氢和掺氢管道的压力选取、管道泄漏后安全事故的处置、管道设计与维修提供理论参考。
选取局部架空输氢管道及周围空间，建立长、宽和高分别为6 m、6 m和10 m的三维计算域，模拟纯氢/掺氢管道发生泄漏后的射流火焰。在底部中心设置泄漏孔，底部为壁面，侧面和顶部为出口。具体几何模型示意如图1所示。
连续性方程、动量方程和能量方程分别如式（1）~式（3）所示[11-12]。
式中：ρ为气体密度，kg/m3；t为时间，s；ui为i方向上的速度，m/s；xi为气体在i方向的位移，m；$\nabla $为矢量微分算符；u为气体流速，m/s；μ为动力黏度，Pa·s；p为压强，Pa；f为单位质量力矢量，m/s2；Ti为i方向的温度，K；Cp为比定压热容，J/(kg$ \cdot $K)；T为温度，K；div为散度算符；grad为梯度算符；k为流体的热传导系数，W/(m$ \cdot $K)；$ {S}_{T} $为能量方程源项，J。
在管道发生泄漏后，管道内气体将高速喷出扩散并与空气进行混合，此过程是一个多组分混合流动的湍流过程。已有大量计算结果表明，k-ε模型对模拟射流的扩散和衰减有较高的准确性且贴合实际，故选取Realizable和k-ε双方程湍流模型来研究纯氢/掺氢泄漏的喷射射流火焰。
Fluent软件提供了多种燃烧模型，其中：组分输运模型中的涡耗散模型、有限速率模型和有限速率/涡耗散模型可以很好地描述湍流与化学作用，本研究选用结合动力学因素和湍流因素的有限速率/涡耗散模型进行模拟。甲烷−氢气燃烧化学反应模型选取Kim等[13]提供的全局反应机理，如表1所列。
高压气体泄漏初期属于亚膨胀射流，会在泄漏孔产生激波而导致流体参数产生紊乱，增大计算成本且计算难以收敛。所以，一般采用虚喷嘴模型对真实泄漏射流进行简化，简化的虚喷嘴模型中的气体质量流量与实际泄漏孔的泄漏流量大小一致，其气体压力就是外界环境压力，从而可以消除喷嘴附近复杂的激波结构对模拟的影响。基于此，引入Birch84理论模型计算伪源参数，并将伪源参数作为进口边界条件。虚喷嘴模型见（图2）。由图2可知，高压气体射流被分为3个区域，分别是管内的滞止区、实际泄漏孔的高速流动区和虚喷嘴区域[14]。
通过等熵关系式、质量守恒方程和理想气体状态方程，联合计算出虚喷口处射流气体速度与虚喷嘴直径，其计算公式如式（4）、式（5）所示。
式中：u为气体流速，m/s；$\gamma $为气体绝热指数；R为理想气体常数，取值为8.314 J/（mol·K）；M为气体相对分子质量，kg/mol；d为孔径，mm；下标0、1和2分别代表滞止区、实际泄漏孔和虚喷嘴位置。
由于天然气中主要成分为甲烷，因此，本研究将天然气简化为纯甲烷组分。考虑到氢气和甲烷性质不同，掺氢天然气气体混合物的掺氢体积分数比（以下简称掺氢比）和物理参数的计算公式如式（6）~式（8）所示。
式中：α为掺氢比，%；$x_{{\mathrm{H}}_2} $为氢气的体积分数；$x_{{\mathrm{CH}}_4} $为甲烷的体积分数；$ {x}_{i} $为组分i的摩尔分数；Mi为组分i的相对分子质量；$ {\gamma }_{i} $为气体i的绝热指数，甲烷和氢气的绝热指数分别为1.41和1.31。
计算过程采用COUPLE算法进行速度与压力的耦合，压力方程采用PERSTO，对动量方程、能量方程和组分输运方程采用二阶迎风格式进行离散，并基于压力求解[15]。几何模型网格选用六面体网格进行划分，并对泄漏孔及周围进行加密。泄漏孔采用虚喷嘴模型的计算结果，设置泄漏孔为速度入口、空气为压力入口、出口为压力出口，模拟选取的工况参数如表2所示。选取网格数为1057533、1252939和1479688的3组网格进行网格无关性验证，最终得到的火焰中心轴线温度见图3。由图3可知，在网格数大于1 252 939后，计算结果趋于稳定且误差很小，考虑到计算资源与精度，故最终选取网格数为1 252 939的网格方案进行计算。
为了验证所采用的计算模型是否准确，选择了Hall等[8]进行的氢气燃烧实验，并将模拟结果与实验结果在相同条件下进行了比对。实验中喷射孔径为1.06 mm，喷射口水平向右且处于顺风方向。氢气从泄漏孔喷出后立即点火，保持喷射压力维持在15 MPa不变，并在燃烧持续了大约40 s后熄灭。选取温度在1 500 K以上的区域作为喷射火区域的近似认定[15]，具体见图4。图4（a）所示为该实验中的喷射火焰照片，图4（b）为通过数值模拟生成的喷射火焰截面温度云图。实验中火焰长度的平均值为2.70 m，而数值模拟中燃烧稳定后火焰长度为2.74 m，模拟结果与实验结果的误差仅为1.48%，证明模拟结果可以很好地复现实验中的火焰尺寸；此外，在靠近泄漏孔的位置，测得氢气含量较高且射流速度大，而氧气含量则非常低，因此在该位置没有火焰，这与模拟和实验结果相符；尽管氢气浮力和露天环境等因素导致火焰的末端外观略有差异，但模拟结果与实验结果的轮廓也非常相似。
初期管道内不同的操作压力会直接影响到氢气的初始密度、泄漏量和流速，是管道输送的重要参数，对输送效率和安全性能有重要影响，而不同的操作压力也是影响氢气射流火焰特征的重要参数。随着管道内操作压力的增大，通过泄漏孔的氢气初始密度和流速亦随之增大；而当泄漏孔大小保持一定时，泄漏孔的初始动能明显提升。图5所示为不同压力下的火焰外观，可以看出，随着压力的增大，火焰高度也随之增大，但外观基本一致。图6（a）所示为不同压力下的火焰尺寸，对比可知火焰的高度与宽度会随着压力的上升逐渐增大；图6（b）所示为不同压力下的火焰轴线温度，由图6可知，压力的增大不仅使得火焰的峰值温度区域增大，同时从泄漏孔到温度峰值区的高度也会增大，会危害更远的区域。压力对火焰整体的峰值温度影响很小，基本没有影响。
图7所示为不同泄漏孔径下的火焰外观图。可以看到，虽然火焰高度不同，但其外观形状基本一致。图8所示为不同泄漏孔径下的火焰尺寸对比和轴线温度。图8（a）中，泄漏孔径在4 mm时，火焰高度、宽度分别为3.76 m和0.47 m，在8 mm时火焰高度、宽度分别为7.10 m和0.92 m，火焰尺寸的高度、宽度同比增大了88.8%和95.7%，在其他条件不变的情况下，随着泄漏孔径逐渐变大，管道内的氢气向外泄漏量会更大，导致有更大质量流量的氢气在空气中燃烧，使得火焰蔓延得更远且危害性大大加强。图8（b）中，随着火焰高度的增加，火焰温度呈现先增大后减小的趋势，而泄漏孔的变化对氢气的峰值温度几乎没有影响，最高温度保持在2 490 K上下，但火焰的峰值温度区域发生了较大变化。由图7不同泄漏孔径下的火焰温度分布可知，当泄漏孔径为4 mm时，距离泄漏孔的高度为2.14 m；当泄漏孔径为8 mm时，距离泄漏孔的高度为4.33 m，同比增加了102.3%。
图9所示为不同掺氢比下的火焰外观。从图9可以看出，火焰的外观大小与掺氢比的增大成反比。图10（a） 所示为不同掺氢比下的火焰高度、宽度与掺氢比的关系可以看出，掺氢比上升，火焰的高度与宽度均呈现下降趋势。当掺氢比从10%增加到90%时，射流火焰的高度降低了13.7%，宽度降低了14.3%，混合气体火焰的高度与宽度变化下降趋势一致。这是因为氢气的密度比甲烷小得多，且扩散性更强，氢气在泄漏以后与空气快速交换，使得燃烧反应也更快进行。
图10（b）所示为掺氢比分别为10%、30%、50%、70%和90%时的火焰轴线温度，其最高温度分别为2 306 K、2 340 K、2 368 K、2 414 K和2 450 K，随着氢气比例的增大，射流火焰燃烧的峰值温度不断升高。由图9不同掺氢比下的火焰温度分布可知，其峰值温度区域高度分别为4.1 m、3.8 m、3.5 m、3.3 m和3.1 m，会随着掺氢比的增大而减小。从理论上分析，这是因为氢的质量能量密度较高（约为142 MJ/kg），所含能量是大多数碳氢燃料的3倍以上[16-18]。氢气掺入天然气一方面会促进火焰温度的升高，另一方面，随着氢气比例的升高，掺氢混合天然气的爆炸下限逐渐下降，从喷射口出来后在更短的距离着火，而且随着氢气比例的增加，加剧了混合气体的燃烧速度。
1） 管道压力升高可以提高输气管道的运输效率，但也会带来更大的安全风险。在相同的泄漏条件下，管道压力升高会导致泄漏量更大，从而导致射流火焰高度更长，在最大压力为10 MPa的情况下，火焰高度达到了9.60 m。
2） 随着泄漏孔径增大，火焰高度随之增大，且峰值温度区域远离泄漏孔，导致危险面积增大。但泄漏孔的增大不会影响火焰的峰值温度，峰值温度均维持在2 500 K左右。
3） 掺氢比对火焰特性有明显的影响。随着掺氢比的上升，掺氢天然气的可燃下限降低，燃烧反应也更迅速，使得火焰高度降低。但氢气具有较大的质量能量密度，火焰峰值温度会随着掺氢比的增大而升高。
2024, Vol. 53 Issue (6): 135-140 2024, Vol. 53 Issue (6): 135-140