燃料電池城市客車氫氣泄漏擴(kuò)散研究

胡中強(qiáng)，鄧亞東，李景利，冉 淵

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.中通汽車工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 聊城 252000)

燃料電池汽車憑借其零排放、加氫時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)熱點(diǎn)[1]。城市客車由于布置空間充足、配套設(shè)施易于建設(shè)，以及可觀的燃料電池汽車補(bǔ)貼，使得國(guó)內(nèi)各大客車廠家都加大了對(duì)燃料電池客車的研發(fā)力度[2]。但是，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)大，爆燃的體積范圍廣，而現(xiàn)在的儲(chǔ)氫技術(shù)很難完全避免氫氣的泄漏擴(kuò)散，因此氫氣的存儲(chǔ)與應(yīng)用仍存在一定的危險(xiǎn)性[3-4]。

由于氫氣泄漏試驗(yàn)危險(xiǎn)性高，現(xiàn)在主要利用物理性質(zhì)相近的惰性氣體代替氫氣進(jìn)行試驗(yàn)，或者直接采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)氫氣的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行研究[5-6]。但以往的研究主要涉及開放環(huán)境或大型室內(nèi)空間，對(duì)于客車氫氣瓶艙這種狹小半開放區(qū)域內(nèi)的氫氣泄漏擴(kuò)散情況研究甚少。因此，筆者采用數(shù)值模擬對(duì)燃料電池城市客車氫氣瓶艙內(nèi)氫氣泄漏擴(kuò)散的規(guī)律進(jìn)行了分析，相關(guān)結(jié)論可以為燃料電池客車氫安全設(shè)計(jì)以及氫安全監(jiān)測(cè)提供一定的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

考慮客車的布置空間與外觀造型等問題，目前大部分燃料電池客車均把氫氣瓶艙布置在車輛頂部[7]，如圖1所示。該燃料電池客車，其頂部氫氣瓶艙布置于空調(diào)前方，提取出來的氫氣瓶艙的三維模型如圖2所示。模型坐標(biāo)系與車輛坐標(biāo)系保持一致：X軸平行于地面指向車輛前方，Z軸豎直向上，Y軸指向駕駛員的左側(cè)。設(shè)距離進(jìn)風(fēng)口最近的氫氣瓶軸線與氫氣瓶艙Y方向?qū)ΨQ面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖1 燃料電池客車外形圖

圖2 氫氣瓶艙簡(jiǎn)化模型

氫氣瓶艙主體尺寸為1 910 mm×2 350 mm×280 mm，內(nèi)置4個(gè)直徑為370 mm，長(zhǎng)1 800 mm的標(biāo)準(zhǔn)140 L氫氣瓶。氫氣瓶艙前后共開設(shè)4個(gè)380 mm×180 mm的進(jìn)出風(fēng)口，假設(shè)距進(jìn)風(fēng)口最近的氫氣瓶瓶口處發(fā)生泄漏，泄漏孔直徑為8 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格劃分的效率，采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分。由于氫氣泄漏口直徑較小，泄漏口附近氫氣處于高速射流狀態(tài)，因此需要對(duì)泄漏口處網(wǎng)格進(jìn)行一定的加密處理，以此來提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度。網(wǎng)格總體尺寸為20 mm，對(duì)泄漏口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密尺寸分別為2 mm、0.4 mm，最終網(wǎng)格劃分情況如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)量約400萬。

圖3 氫氣瓶艙網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 計(jì)算系數(shù)設(shè)置

對(duì)車輛在靜止與正常行駛兩種工況下的氫氣泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算域邊界如圖2所示。

選用FLUENT軟件的組分傳輸模塊及realizablek-ε湍流模型對(duì)客車頂部氫氣瓶艙內(nèi)氫氣的擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算[8]并做如下假設(shè)：

(1)泄漏口直徑保持不變，氫氣以恒定速率釋放，且假設(shè)為理想氣體；

(2)氫氣泄漏過程中不與外界發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

(3)氫氣瓶艙的壁面等溫絕熱且光滑。

車輛靜止時(shí)，計(jì)算域中氫氣瓶泄漏口邊界設(shè)定為質(zhì)量入口，泄漏速度取2 g/s[9]，氫氣組分濃度設(shè)置為1，即認(rèn)為泄漏口為純氫氣泄漏；氫氣瓶艙的進(jìn)出風(fēng)口均設(shè)置為壓力出口，出口壓力為1個(gè)大氣壓，氫氣組分濃度設(shè)置為0，即認(rèn)為初始條件下氫氣瓶艙內(nèi)無微量泄漏的氫氣；其他壁面均設(shè)置為無滑移壁面；壓力、溫度、空氣密度和空氣粘度均采用溫度為25 ℃時(shí)的參數(shù)。計(jì)算中考慮重力的影響，重力加速度為9.8 m/s2。

車輛正常行駛時(shí)，根據(jù)如圖4所示的中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況[10]，取該工況的平均車速15.9 km/h作為勻速工況的速度條件，計(jì)算域中氫氣瓶艙的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口(v=15.9 km/h)，其余邊界條件與靜止工況一致。邊界條件的具體設(shè)置如表1所示。

圖4 中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況

表1 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域邊界邊界類型邊界參數(shù)泄漏口質(zhì)量入口2 g/s進(jìn)風(fēng)口靜止:壓力出口勻速工況:速度入口靜止:大氣壓力勻速工況:15.9 km/h出風(fēng)口壓力出口大氣壓力氫氣瓶艙外壁無滑移壁面/氫氣瓶瓶身無滑移壁面/

2 仿真結(jié)果分析

為了對(duì)空間內(nèi)氫氣泄漏擴(kuò)散后的分布情況進(jìn)行更有效直觀的分析，X方向選取4個(gè)過氫氣瓶軸線的面以及最外側(cè)兩個(gè)等面積截面；Y方向選取整個(gè)模型的對(duì)稱面、通風(fēng)口的對(duì)稱面以及最外側(cè)兩個(gè)等面積截面；Z方向選取過4個(gè)氫氣瓶軸線的面作為特征面，即選取x=200、x=0、x=-430、x=-860、x=-1290、x=-1490；y=-1 000、y=-500、y=0、y=500、y=1 000；z=0(單位mm)這幾個(gè)面作為特征面進(jìn)行分析。

2.1 靜止工況

由于氫氣的爆炸范圍為4%～75%(體積分?jǐn)?shù))，因此在氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖中只顯示4%～75%的部分，可以更直觀地表示出氫氣瓶艙內(nèi)的危險(xiǎn)區(qū)域分布。

圖5 靜止工況下氫氣濃度分布云圖

圖5為靜止工況下氫氣瓶艙內(nèi)各特征面上氫氣濃度(4%～75%)的分布圖。由圖5可以看出，整個(gè)氫氣瓶艙內(nèi)大部分區(qū)域的氫氣濃度都處于爆炸范圍之內(nèi)。氫氣泄漏后泄漏口處形成錐形的高濃度區(qū)域(圖5(c)中注明區(qū)域)，局部氫氣濃度已經(jīng)超過75%的氫氣爆炸范圍。

由于氫氣具有良好的擴(kuò)散性，因此氫氣在離開泄漏口一段距離后，濃度迅速下降，在接觸氫氣瓶艙壁面后迅速向四周擴(kuò)散，在整個(gè)氫氣瓶艙內(nèi)形成較為均勻的分布情況。

隨著泄漏擴(kuò)散的進(jìn)行，由于氫氣密度小于空氣密度，氫氣有明顯的向上擴(kuò)散趨勢(shì)，因此整個(gè)氫氣瓶艙上部區(qū)域的氫氣濃度要略大于下部區(qū)域，形成分層現(xiàn)象。

氫氣泄漏最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，氫氣在泄漏口處的頂角附近發(fā)生明顯的聚集，形成高濃度區(qū)域，濃度達(dá)到50%以上。同時(shí)氫氣瓶艙內(nèi)的大部分區(qū)域氫氣濃度在30%～50%之間。而氫氣瓶艙前后進(jìn)出風(fēng)口處的氫氣濃度較低，約在0%～10%范圍內(nèi)，小部分區(qū)域低于4%的爆炸極限。

在車輛長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng)時(shí)，若氫氣瓶艙內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏，氫氣瓶艙易發(fā)生爆炸燃燒，需要做好氫氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程報(bào)警工作。

2.2 勻速工況

當(dāng)車輛以15.9 km/h行駛時(shí)，設(shè)氫氣瓶艙前的進(jìn)風(fēng)口以15.9 km/h沿X負(fù)方向進(jìn)風(fēng)，可以得到此時(shí)氫氣泄漏的擴(kuò)散情況。

圖6為勻速工況下氫氣瓶艙內(nèi)各特征面上氫氣濃度(4%～75%)的分布圖。由圖6可知，由于進(jìn)風(fēng)口的氣流加強(qiáng)了氫氣瓶艙內(nèi)氫氣的擴(kuò)散，氫氣在泄漏擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，只有泄漏口附近氫氣濃度仍保持在50%以上，其他部分的氫氣濃度均有大幅度降低。其中氫氣瓶艙內(nèi)靠近泄漏口一側(cè)的氫氣濃度大約保持在30%以下，而氫氣瓶艙內(nèi)遠(yuǎn)離泄漏口約3/4的區(qū)域氫氣濃度已經(jīng)下降到4%以下，低于氫氣的爆炸濃度，沒有被點(diǎn)燃的危險(xiǎn)。

圖6 行駛工況下氫氣濃度分布云圖

由圖5和圖6可知，無論車輛處于靜止還是勻速行駛狀態(tài)，氫氣瓶艙內(nèi)氫氣濃度最高的區(qū)域均為圖7所示監(jiān)測(cè)線附近的區(qū)域，因此，可在該位置設(shè)置氫安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)。靜止與勻速工況下，監(jiān)測(cè)線上的氫氣濃度分布如圖8所示。

圖7 氫氣濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖8 不同工況監(jiān)測(cè)線氫氣濃度分布

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)情況下監(jiān)測(cè)線上的氫氣濃度較靜止時(shí)平均下降約20%，且隨著與泄漏口距離的增大，氫氣濃度的下降更為明顯。由上述分析可知，當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)時(shí)，由氫氣瓶艙進(jìn)氣口進(jìn)入的空氣對(duì)氫氣瓶艙內(nèi)泄漏氫氣的擴(kuò)散可以起到很大的促進(jìn)作用，使氫氣瓶艙內(nèi)大部分區(qū)域的氫氣濃度下降到爆炸水平之下，大大降低了氫氣泄漏后產(chǎn)生爆燃的可能性。但是氫氣泄漏口一側(cè)仍有一定區(qū)域的氫氣濃度在可燃范圍之內(nèi)。

3 勻速工況下進(jìn)氣角度對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響

根據(jù)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入氫氣瓶艙的空氣跡線圖(圖9)可知，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口沿X負(fù)方向進(jìn)風(fēng)時(shí)，新進(jìn)入的空氣只有很少部分可到達(dá)氫氣瓶艙兩側(cè)的區(qū)域，很難對(duì)泄漏源處的擴(kuò)散情況產(chǎn)生直接影響，而這部分區(qū)域正是氫氣最容易發(fā)生聚集的區(qū)域，因此氫氣瓶艙的進(jìn)風(fēng)口存在一定的改進(jìn)空間。

圖9 進(jìn)風(fēng)口空氣流動(dòng)跡線圖

為改進(jìn)氫氣瓶艙的通風(fēng)效果，在氫氣瓶艙進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置不同進(jìn)氣角度(0°～60°，進(jìn)氣格柵角度過大會(huì)影響進(jìn)氣效率)的進(jìn)氣格柵，如圖10所示，對(duì)進(jìn)入氫氣瓶艙的氣流進(jìn)行導(dǎo)流。經(jīng)過數(shù)值模擬，得到進(jìn)氣格柵進(jìn)氣角度α為15°、30°、45°、60°時(shí)氫氣泄漏后氫氣瓶艙內(nèi)的氫氣濃度分布情況。

圖10 氫氣瓶艙進(jìn)氣格柵示意圖

在圖7相同位置設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同進(jìn)氣角度下監(jiān)測(cè)線上的氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到不同進(jìn)氣角度下監(jiān)測(cè)線上氫氣濃度分布情況如圖11所示。

圖11 不同進(jìn)氣角度監(jiān)測(cè)線氫氣濃度分布

從圖11可知，監(jiān)測(cè)線上的氫氣濃度隨著與泄漏口距離的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。加裝進(jìn)氣格柵后，各個(gè)進(jìn)氣角度下，監(jiān)測(cè)線上的氫氣濃度均低于30%。其中，采用30°進(jìn)氣格柵時(shí)，監(jiān)測(cè)線上的氫氣濃度最高約為15%，且當(dāng)與泄漏口的距離超過0.7 m后，氫氣濃度下降至接近于4%的氫氣爆炸極限，氫氣擴(kuò)散情況最好。綜上考慮，當(dāng)進(jìn)氣格柵角度為30°時(shí)，氫氣瓶艙內(nèi)氫氣的可燃區(qū)域體積處于理論最低狀態(tài)，發(fā)生爆燃的概率最低。

在氫氣瓶艙4個(gè)頂角以及分析中設(shè)置的監(jiān)測(cè)線處布置若干氫氣濃度傳感器，可以對(duì)氫氣瓶艙內(nèi)的氫氣濃度形成有效的監(jiān)控。同時(shí)，在通風(fēng)口采用30°進(jìn)氣格柵，可以有效提高氫氣擴(kuò)散效率，提高該燃料電池客車的氫安全性。

4 結(jié)論

氫氣瓶艙頂部邊角處是氫氣擴(kuò)散后易形成高濃度聚集的區(qū)域，可以適當(dāng)在易發(fā)生氫氣泄漏的瓶口兩側(cè)頂部邊角處布置氫氣監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)氫氣瓶艙內(nèi)的氫氣濃度進(jìn)行預(yù)警。

當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，氫氣瓶艙的通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)大幅度促進(jìn)氫氣泄漏后的擴(kuò)散情況，使氫氣瓶艙內(nèi)大部分區(qū)域的氫氣濃度都低于爆炸極限。同時(shí)，選擇合適的通風(fēng)口進(jìn)氣角度，可以進(jìn)一步提高氫氣的擴(kuò)散效率，提高燃料電池客車的行車安全。