穿孔板孔径对氢富集丙烷火焰熄灭效能的影响：基于Lewis和Zeldovich数的热扩散特性研究

本研究针对氢能安全应用中的火焰控制难题，通过实验探究了穿孔板孔径（1.0-3.2 mm）对氢富集丙烷火焰熄灭效能的影响。研究人员系统分析了Lewis数（Le）、Zeldovich数（Ze）等无量纲参数与火焰传播速度（最高达53.88 m/s）的关联，发现Le<1的混合物更易形成扁平/郁金香火焰结构，而减小孔径可显著提升熄灭效率，为工业抑爆系统设计提供了关键参数依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳燃料备受关注，但其高反应活性（燃烧速度达常规燃料6倍）和宽 flammability范围（4-75%）带来了严重的安全挑战。工业场景中，氢与丙烷等碳氢燃料的混合使用可能引发爆燃（150 m/s）甚至爆轰（1500 m/s），这对输气管道、化工厂等设施的 flame arrester（火焰抑制器）设计提出了更高要求。传统研究多聚焦纯氢/空气混合物，而对氢富集燃料的火焰动力学机制，特别是穿孔板几何参数与热力学参数的耦合作用缺乏系统认知。

针对这一空白，巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了创新性成果。研究人员构建了包含传播管道（3×35 cm）、阻火器舱室（50 cm）和高频摄像系统的实验平台，采用4种孔径（1.0-3.2 mm）的丙烯酸穿孔板，在固定阻塞率（BR=71%）条件下，测试了6种丙烷/氢/氦混合物的火焰行为。通过量化Lewis数（Le=0.72-1.97）、Zeldovich数（Ze=4.98-7.07）等关键参数，结合96次重复实验，揭示了孔径尺寸与火焰熄灭效能的构效关系。

关键技术方法包括：1）采用氦气调节混合物Le数；2）同步采集压力振荡数据与高速摄影（10000 fps）；3）通过Da（12.68-17.23）、Pr（0.566-0.727）等无量纲数表征热-质-动量传输特性；4）统计4次重复实验的火焰速度与形态演变规律。

火焰传播行为
Le<1的混合物表现出更强的反应活性，提前形成扁平/郁金香火焰结构。当Le=0.72时，火焰速度峰值达53.88 m/s，比Le=1.97的混合物高83%，这归因于H₂的高质量扩散性和低活化能特性。

无量纲参数影响
低Le与低Ze值组合使火焰速度提升40%，而高Da数（>15）和高Pe数进一步加速传播。Pr数每降低0.1，火焰速度增加12 m/s，证实热扩散率对火焰稳定的关键作用。

孔径效应
1.0 mm孔径板的熄灭效率比3.2 mm板高6倍，其机制在于：小孔径增强湍流耗散，使火焰前沿温度梯度提升300 K/mm，同时将未燃气体驻留时间延长至化学反应时间尺度的3倍（Da>15时）。

该研究首次建立了氢富集燃料的Le×Ze乘积与火焰速度的定量关系（R²=0.92），证实1.0 mm是阻火器设计的最优孔径阈值。成果为LNG储罐、化工厂管道等高风险场景的防爆系统提供了设计准则，尤其适用于含氢20-30%的混合燃料。未来研究可拓展至甲烷/氢混合体系，并探索多孔介质与穿孔板的协同抑爆效应。