氢掺杂天然气水下扩散动力学与破裂行为的混合比例效应研究

这篇研究通过实验系统探讨了氢掺杂比例（0%、20%、100%）对海底管道泄漏时气泡羽流（bubble plume）扩散动力学的影响，揭示了混合比例升高会延迟离散-连续流态转变（R2=0.93），并显著提高破裂压力阈值（如20%掺杂时破裂概率临界点从0.30 MPa升至0.40 MPa）。研究为海上氢能运输安全（offshore hydrogen transport）和风险管理提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

氢掺杂显著改变气泡羽流行为：随着混合比例从0%增至100%，羽流从离散气泡流（dispersed bubble flow）向连续射流（continuous jet）的转变被延迟，且破裂压力阈值明显提高——纯氮（模拟甲烷）在0.30 MPa时破裂概率归零，而20%氦（模拟氢掺混）需0.40 MPa，纯氦（100%氢）在0.50 MPa时破裂概率仍高达46%。

Effects of blending ratios on the bubble plume’s morphological properties

水下气体泄漏会形成复杂气泡流动结构。图5展示了典型羽流动态发展过程：初始阶段气泡呈螺旋状上升，伴随周期性破裂（rupture）和喷泉（fountain）结构。泄漏速率越高，越易形成连续射流；但氢比例增加会增强气泡稳定性，延缓流态转变。

Conclusions

1. 1.

   泄漏速率和氢比例共同调控羽流形态，二者升高均会缩短上升时间（rising time），并在0.20 MPa前呈现显著衰减；

2. 2.

   不同混合条件下最大喷泉高度差异显著，但稳态高度相近；

3. 3.

   氢比例增加会持续降低无量纲热释放率（dimensionless heat release rate），进而减小火焰高度（flame height）。这些发现为未来海底掺氢管道安全设计提供了实验依据。