反应堆发生严重事故时可能产生大量的氢气,氢气在一定条件下可能发生燃烧甚至爆炸,严重威胁安全壳的完整性。继美国三里岛核事故之后,日本福岛核事故再次证明氢气燃爆会造成严重的后果。为了达到核电主管部门提出的力争实现从设计上实际消除大量放射性物质释放的可能性目标,有进一步开展反应堆三维氢气安全分析并开发适用于三维氢气安全分析的有障碍物氢气燃烧模型的迫切需求。因此,本文开展了有障碍物氢气燃烧实验装置设计与数值模拟研究,旨在进一步认识有障碍物条件下的氢气燃烧行为,并为有障碍物氢气燃烧分析模型的开发提供数据支持。氢气燃烧实验装置设计是数值模拟及后续实验研究的基础,本文首先进行了有障碍物氢气燃烧实验装置的初步设计。实验装置主要由安全罐、实验管段、气体供应系统、加热保温系统、点火设备、高速摄像机、数据采集系统及其他辅助设备构成。安全罐与实验管段是氢气燃烧反应的场所,气体预混罐是反应气体的混合场所。安全罐为卧式封闭结构,用于开展低浓度氢气燃烧实验。实验管段为半封闭管道结构,管道内布置不同结构的障碍物,用于研究障碍物对氢气燃烧特性的影响。安全罐与实验管段内均布置有传感器,用于测量氢气燃烧压力、温度及火焰传播速度。基于实验装置设计开展了氢气燃烧数值模拟研究。结果表明,半开口管道内,障碍物会加速火焰传播,产生更大的燃烧压力;障碍物布置的数量越多或其阻塞率越大,氢气燃烧压力越大,火焰加速越快;障碍物间距为1.5倍管道内径时,火焰速度及燃烧压力达到最大值;在阻塞率相同情况下,圆形障碍物比半圆形障碍物更有利于火焰加速,增大气体燃烧压力。在封闭环境中,水蒸气的加入能抑制氢气燃烧反应速率,降低火焰速度、燃烧压力及温度,而且水蒸气含量越大,抑制效果越明显;氢气当量比接近1时,气体燃烧反应最强烈,产生的压力及温度达到最大;气体燃烧压力及火焰传播速度随混合气体初始压力的增大而增大,随混合气体初始温度的升高不断减小;点火位置只影响压力及温度上升速率,对最终的数值无影响,当中间位置点火时,压力及温度上升速率最快。