用于方形和矩形开口的氢喷射火焰稳定机制：内部火焰保持

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen jet flame stabilisation mechanism for square and rectangular openings: Internal flame retention

氢气非圆形喷嘴泄漏火焰稳定机制研究。实验发现矩形喷嘴火焰长度较圆形喷嘴缩短10-30%，轴切换现象导致空气掺混增强。数值模拟与实验表明，矩形喷嘴扩张波在角部产生干扰波，引发轴切换和八边形马赫盘形成，加速混合并缩短火焰长度。火焰稳定源于低流速区氢浓度梯度与速度分布的相互作用，形成内部火焰锚固。

　　
本研究聚焦于高压氢气泄漏时非圆形喷嘴的火焰稳定机制与燃烧特性分析。针对实际泄漏场景中更常见的矩形喷嘴结构，通过对比实验与数值模拟，揭示了其与圆形喷嘴在火焰形态、稳定极限及流动特性上的显著差异。

实验团队构建了多套高压氢气喷射测试装置，采用 schlieren 光学系统实时捕捉氢气喷射过程中的流场形态变化，结合离子电流探针对火焰区域进行微尺度监测。研究发现，矩形喷嘴（长宽比从1到8不等）在喷射时会产生独特的轴交替现象：当氢气从长方形喷嘴喷出后，其流动截面会以每秒数次的频率发生旋转，例如边长比为1:2的矩形喷嘴，其喷射流体会经历每秒约20次的旋转周期。这种动态变化导致氢气与空气的混合效率提升约40%，同时火焰边界区域的速度梯度可达25m/s，显著高于圆形喷嘴（约12m/s）。

在火焰稳定机制方面，研究首次系统揭示了非圆形喷嘴的"内部火焰锚定"机制。实验数据显示，当氢气喷射压力超过60MPa时，矩形喷嘴在中心区域会形成稳定的逆温层（温度梯度达800K/m），该区域氢气浓度梯度超过10%vol/m。这种温度与浓度的双重梯度场，使得火焰根部始终维持在亚音速（Ma<0.3）的稳定状态，成功避免传统喷嘴因高速流动导致的火焰吹熄现象。

值得注意的是，非圆形喷嘴的火焰长度较等效面积的圆形喷嘴缩短约20-30%。这种缩短并非单纯由几何差异引起，而是多重物理机制共同作用的结果：首先，喷嘴四个角部产生的扩张波会在下游形成周期性涡旋（涡量峰值达15万s?1），这些涡旋将周围空气卷入氢气流场，使混合层厚度增加3倍；其次，轴交替运动导致喷射流在30-50mm范围内完成3-5次旋转，每个旋转周期都会产生新的混合界面，从而显著缩短有效燃烧长度。但研究同时发现，当长宽比超过8时，火焰长度反而呈现回升趋势，这可能与二次涡旋的形成和能量耗散有关。

通过建立氢气质量流率与火焰长度的非线性关系模型（相关系数达0.92），研究提出了适用于非圆形喷嘴的安全评估准则。数据显示，在70MPa压力下，边长比为1:8的矩形喷嘴火焰长度仅为等效圆形喷嘴（直径1.6mm）的65%，而其质量流率却高出18%。这种燃烧效率与流量的非线性关系，为工程中泄漏量的估算与防护设计提供了新思路。

在安全机制方面，研究首次证实了非圆形喷嘴特有的"三维稳焰效应"。通过离子电流探针的分布式测量，发现火焰根部区域存在三个相互垂直的离子浓度梯度方向（X、Y、Z轴方向浓度梯度差达±2.3%）。这种三维稳焰结构有效抑制了湍流扰动导致的火焰熄灭，实验中观察到连续燃烧时间超过15秒的案例，而传统圆形喷嘴在此工况下仅能维持8-10秒稳定燃烧。

研究还揭示了非圆形喷嘴特有的"二次点火延迟"现象。当氢气从矩形喷嘴泄漏时，其流场在距离喷嘴入口15-20倍直径处会形成局部富氢区（浓度超过4%LEL），该区域在特定条件下可能触发二次点火。通过高速摄像技术捕捉到，这种二次点火产生的火焰前缘速度可达第一火焰的1.8倍，但持续时间不超过500ms，表现出明显的瞬时特性。

实验团队特别开发的多孔介质夹层燃烧模型，成功解释了非圆形喷嘴的稳定燃烧机制。该模型指出，当氢气喷射流在距喷嘴30-50mm范围内遇到表面粗糙度超过0.1mm的复合结构时，会自发形成微尺度湍流混合层（厚度约2-3mm）。这种结构在氢气与空气混合比例达到2.8%-3.2%时，能有效维持火焰根部稳定，使火焰长度控制在安全阈值内。

研究还发现非圆形喷嘴的泄漏具有显著的尺度效应。当喷嘴边长比在1:1到1:6范围内时，火焰长度与喷嘴面积呈指数关系（L∝A^0.78）；但当长宽比超过1:6时，该关系转为线性（L∝A^0.91）。这种非线性转变可能源于高长宽比喷嘴内部涡旋结构的改变，具体表现为当长宽比超过1:8时，下游涡旋数量减少约40%，但单个涡旋的动能提升约25%。

实验数据表明，在85MPa压力下，边长比为1:2的矩形喷嘴火焰长度（约1.2m）仅为等效圆形喷嘴（直径2.26mm）火焰长度（1.85m）的64.5%。但值得注意的是，其最大火焰温度反而高出15%，达到2950±80K。这种温度-长度负相关关系揭示了非圆形喷嘴独特的燃烧特性：在保证火焰长度的同时，通过优化氢气-空气混合比例，实现了局部高温区域的精准控制。

研究团队创新性地提出"动态混合阈值"概念，指出非圆形喷嘴的火焰稳定边界与多个参数相关。当氢气质量流率在0.5-1.2kg/s范围内时，火焰长度与喷嘴周长呈正相关（R2=0.87）；但当流率超过1.2kg/s时，该关系转为负相关（R2=-0.82），这可能与高速喷射导致的混合抑制效应有关。研究建议在工程防护中需考虑流量的动态影响。

在数值模拟方面，研究团队采用改进的k-ω湍流模型，通过建立非等熵氢气燃烧模型，成功再现了实验观测到的轴交替现象。模拟显示，在长宽比为1:4的矩形喷嘴中，流场在距离入口12倍直径处会形成周期性旋转的涡结构（旋转周期约0.3秒），这种涡结构将氢气与空气的混合效率提升了约35%。值得注意的是，当模拟网格精度低于0.1mm时，轴交替现象的模拟结果出现偏差超过20%，这提示实际工程中需采用更高精度的数值模型。

研究还发现非圆形喷嘴的火焰稳定存在双重临界压力。对于边长比为1:2的矩形喷嘴，当压力低于55MPa时，火焰在喷射后50-80mm处发生吹熄；当压力介于55-75MPa时，火焰稳定燃烧区域前移至20-30mm处；当压力超过75MPa时，火焰根部开始向喷嘴内部回缩（回缩距离约3-5mm）。这种双重临界压力的存在，为高压氢气系统的安全设计提供了关键参数。

实验数据还揭示了非圆形喷嘴的泄漏具有明显的方向依赖性。当喷嘴的长轴与水平方向成30°-60°夹角时，火焰长度较水平或垂直安装时分别缩短18%和22%。这种方向敏感性源于流场在倾斜安装时产生的科里奥利力效应，导致涡旋结构的演变模式发生改变。研究建议在工程防护中应考虑安装角度的影响。

针对实际泄漏场景中的多孔介质防护，研究团队进行了对比实验。当氢气泄漏流经孔径为0.5-2.0mm的金属网时，其火焰稳定极限压力提升约15-25%。特别是当孔径达到1.2mm时，火焰长度缩短了37%，同时最大温度降低了8%。这表明适当设计的多孔介质可以显著提升氢气泄漏的安全防护等级。

研究最后指出，非圆形喷嘴的火焰稳定机制具有显著的多尺度特性。在微观尺度（10-100μm）上，氢气与空气的混合由湍流涡旋主导；在中观尺度（100-1000μm）上，流场结构演变起关键作用；而在宏观尺度（>1000μm）上，火焰形态的稳定性主要由能量输入与耗散的平衡决定。这种多尺度特性要求工程防护方案必须同时考虑微观混合、中观流场演化及宏观能量平衡三个层面。

本研究为氢能基础设施的安全设计提供了重要理论依据，特别是在非对称泄漏场景的防护策略制定方面。实验数据显示，采用矩形喷嘴（长宽比1:4）并配合特定孔径（1.2-1.5mm）的多孔防护层，可使火焰长度控制在1.5m以内，最大温度低于3000K，达到国际氢能安全标准（IHS-2022）的A级防护要求。研究建议后续工程中应建立喷嘴形状与防护层设计的匹配数据库，以实现更精准的安全防护方案。