光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測(cè)方法及數(shù)值仿真研究

苗揚(yáng)，陳彥京，王凱，齊巍，盧強(qiáng)，張蒙

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京100124；2.北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；3.中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院，北京100074；4.北京卡達(dá)克科技中心有限公司，北京100070）

0 引言

氫能因其環(huán)保、高熱值、可存儲(chǔ)、可再生等優(yōu)點(diǎn)，備受世界各國(guó)青睞，是人類戰(zhàn)略能源發(fā)展目標(biāo)之一，但是氫氣具有高可燃性、高燃燒熱、高爆炸能等潛在危險(xiǎn)［2］，加之液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生泄漏，將迅速蒸發(fā)汽化為氫氣，遇到靜電或者微弱的火星均有可能發(fā)生爆燃爆轟，極易引發(fā)安全事故［3］。因此，對(duì)氫氣泄漏情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

針對(duì)儲(chǔ)氫罐液氫泄漏擴(kuò)散后快速檢測(cè)的規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了相關(guān)研究。2017年，浙江大學(xué)吳夢(mèng)茜［4］建立了大規(guī)模液氫泄漏擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模型，并對(duì)影響因素進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了大規(guī)模液氫泄漏擴(kuò)散的后續(xù)補(bǔ)救和防護(hù)措施的指導(dǎo)性建議。2019年，趙康等人［5］利用CFD軟件模擬受限空間內(nèi)的液氫泄漏擴(kuò)散，通過(guò)編譯自定義函數(shù)（UDF），描述液氫相變過(guò)程中傳熱、傳質(zhì)及相應(yīng)計(jì)算模型所需的邊界條件，得到了不同條件下液氫泄漏過(guò)程中溫度和濃度的分布情況，分析了風(fēng)速、泄漏速率、地面溫度等對(duì)液氫泄漏擴(kuò)散的影響。謝永春［6］采用質(zhì)譜分析儀的方法對(duì)氦氣、氮?dú)獾男孤U(kuò)散進(jìn)行了檢測(cè)。上述研究都是利用數(shù)值仿真，采用化學(xué)反應(yīng)的方式對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果可靠，但是反映泄漏情況的速度較慢。本文提出一種基于光面式高壓氫泄漏檢測(cè)的物理方法，能夠達(dá)到可視化快速檢測(cè)的目的，對(duì)于預(yù)防氫氣泄漏造成危害，增強(qiáng)液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)的本質(zhì)安全具有重要意義。

1 氫泄漏檢測(cè)原理及方法

1.1 檢測(cè)原理

光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測(cè)方法的裝置，包括激光發(fā)射器、透鏡、反射鏡、CCD相機(jī)、控制電路和計(jì)算機(jī)等部分，如圖1所示。當(dāng)高壓儲(chǔ)氫罐發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高壓氫氣射流，高壓氫氣從泄漏口處向外射出［7-8］。由于高壓氫氣密度較大，所以折射率遠(yuǎn)大于周圍的空氣，故可直接將其作為示蹤粒子［9-10］。利用控制電路發(fā)出信號(hào)，使激光發(fā)射器發(fā)出激光，通過(guò)柱面透鏡組（長(zhǎng)焦柱面透鏡和短焦柱面透鏡共焦安置）及反射鏡后形成光面，照亮儲(chǔ)氫罐表面，安裝在儲(chǔ)氫罐上方特定位置的CCD相機(jī)對(duì)儲(chǔ)氫罐表面進(jìn)行拍照，并將采集到的圖像信息經(jīng)控制電路傳輸至計(jì)算機(jī)，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，即可得到發(fā)生泄漏時(shí)泄漏口位置、大小以及高壓氫氣射流方向等信息。

1.2 激光源的選擇

當(dāng)發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，高壓氫氣射流形成流場(chǎng)，作為示蹤粒子的高壓氫氣需要被照亮后才能被CCD相機(jī)記錄下來(lái)。恰好，激光是一種擁有高能量密度的光源，可以非常容易地聚集成品質(zhì)較好的平行光照明流場(chǎng)并且不會(huì)產(chǎn)生色差，是一種品質(zhì)非常好的光源。

圖1 光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測(cè)方法裝置組成

流場(chǎng)照明對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響是顯著的，選擇設(shè)備照明光線的強(qiáng)度等性能應(yīng)與高壓氫氣的光散射特性相匹配，并且應(yīng)與所選用的CCD相機(jī)的感光范圍相適應(yīng)。除了對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，安全問題也十分重要。氫氣的點(diǎn)火能為0.0179 mJ，為防止激光照射使高壓氫氣發(fā)生燃燒、爆炸，所選擇的激光發(fā)射器的光強(qiáng)應(yīng)遠(yuǎn)小于氫氣點(diǎn)火能。

激光發(fā)射器輸出的能量與波長(zhǎng)有關(guān)，其計(jì)算公式為

式中：E為能量，J；h為普朗克常數(shù)，即6.63×10-34J·s；H為頻率，Hz。

而

式中：C為光速，即3×1017nm/s；λ為波長(zhǎng)，nm。根據(jù)式（3）計(jì)算出使氫氣達(dá)到點(diǎn)火能的臨界波長(zhǎng)

由計(jì)算可知，激光波長(zhǎng)為1.1×10-21nm時(shí)，會(huì)使氫氣達(dá)到點(diǎn)火能，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，激光發(fā)射器的輸出能量越小。常用的激光發(fā)射器如氦氖激光發(fā)射器、CO2激光發(fā)射器的輸出能量均遠(yuǎn)小于與氫氣的點(diǎn)火能（常用的氦氖激光發(fā)射器波長(zhǎng)約為632.8 nm，CO2激光發(fā)射器波長(zhǎng)約為10.6μm），證明了實(shí)驗(yàn)方案的安全性。

2 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)分析

2.1 仿真模型

根據(jù)高壓氫氣射流的分層流動(dòng)模型，對(duì)儲(chǔ)存壓力為5 MPa的氫氣在直徑1 mm的泄漏口處泄漏形成的高壓氫氣射流進(jìn)行數(shù)值仿真分析［11］。

仿真采用的幾何模型根據(jù)李雪芳等人研究的高壓氫氣射流分層流動(dòng)實(shí)驗(yàn)建立。實(shí)驗(yàn)中采用的噴嘴為標(biāo)準(zhǔn)的圓形出口噴嘴，并且設(shè)置高壓氫氣射流方向與重力方向相反，所以仿真采用二維軸對(duì)稱幾何模型，如圖2所示。

圖2 高壓氫氣射流幾何模型示意圖

仿真所用軟件為Gambit和Fluent2020R1。首先使用Gambit軟件對(duì)仿真模型進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分，再使用Fluent2020R1進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并開啟動(dòng)態(tài)自適應(yīng)。仿真采用四方程模型進(jìn)行，并且采用基于壓力的求解器進(jìn)行計(jì)算，動(dòng)量和能量方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，混合氣體采用多相流模型計(jì)算。設(shè)置環(huán)境壓力溫度為300 K，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，設(shè)置重力方向與射流方向反向，邊界條件如圖2所示，左側(cè)入口設(shè)置為壓力入口條件，上方和右側(cè)邊界設(shè)置為壓力邊界。為了防止計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)仿真錯(cuò)誤，如產(chǎn)生氫氣射流沿左側(cè)邊界向上布滿整個(gè)計(jì)算區(qū)域的非物理現(xiàn)象，故左側(cè)采用質(zhì)量和流量均很小的空氣入口。

2.2 仿真結(jié)果對(duì)比

2.2.1 高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果使用MATLAB處理后如圖3所示，能夠明顯看到高壓氫氣的射流核心區(qū)（圖3中間紅、黃顏色所在區(qū)域）、邊界層區(qū)（圖3綠色區(qū)域）和馬赫盤以及馬赫盤下游反射波。圖3中藍(lán)綠黃紅的顏色表示數(shù)值從低到高的馬赫數(shù)，在射流核心區(qū)靠近馬赫盤處，馬赫數(shù)達(dá)到最高為5.85，在邊界層區(qū)，馬赫數(shù)最低，約為1.5。核心區(qū)從泄漏口到馬赫盤，馬赫數(shù)不斷增大，直到馬赫盤馬赫數(shù)達(dá)到最大，當(dāng)高壓氫氣射流經(jīng)過(guò)馬赫盤后，射流的壓力和溫度會(huì)逐漸降低到與周圍空氣的壓力、溫度相同，同時(shí)馬赫數(shù)也驟降。

圖3 5 MPa-1 mm高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)馬赫數(shù)云圖

CCD相機(jī)拍攝的圖片經(jīng)數(shù)字圖像處理后的灰度圖像如圖4所示，可以明顯看到高壓氫氣射流與周圍空氣的亮暗有明顯的差別。比較圖3仿真結(jié)果與圖4灰度圖像，二者所示高壓氫氣射流的激波結(jié)構(gòu)一致，證明了仿真實(shí)驗(yàn)的可行性。

圖4 氫氣射流灰度圖像

2.2.2 靠近泄漏口的射流核心區(qū)域

當(dāng)激光照射區(qū)域?yàn)榭拷孤┛诘纳淞骱诵膮^(qū)時(shí)高壓氫氣射流2 mm處激波結(jié)構(gòu)截面圖像如圖5所示。可以明顯看到不同馬赫數(shù)的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，馬赫數(shù)先從低逐漸升高，再?gòu)母呓档汀CD相機(jī)拍攝的圖像經(jīng)數(shù)字圖像處理后的灰度圖像如圖6所示，可以明顯看到一層一層灰度值不同的圓環(huán)，根據(jù)圓環(huán)的位置與大小即可判斷泄漏口的位置與大小。

圖5 射流核心區(qū)靠近泄漏口

圖6 射流核心區(qū)靠近泄漏口灰度圖像

2.2.3 靠近馬赫盤的射流核心區(qū)域

當(dāng)激光照射區(qū)域?yàn)榭拷R赫盤的射流核心區(qū)時(shí)，高壓氫氣射流4 mm處激波結(jié)構(gòu)截面，圖像如圖7所示，能夠清晰看到邊界層和射流核心區(qū)。從外圈的邊界層到中心的射流核心區(qū)，顏色由藍(lán)變綠再變黃最后變紅，馬赫數(shù)逐漸增大。此時(shí)高壓氫氣射流的速度逐漸達(dá)到最大，壓力和溫度也達(dá)到最大。用CCD相機(jī)拍攝的圖像經(jīng)數(shù)字圖像處理后如圖8所示，相比圖6射流核心區(qū)靠近泄漏口的灰度圖像，層次略顯模糊，但還是可以看出一層一層的不同灰度的圓環(huán)。

圖7 射流核心區(qū)靠近馬赫盤

圖8 射流核心區(qū)靠近馬赫盤 灰度圖像

2.2.4 馬赫盤以外區(qū)域

當(dāng)激光照射在馬赫盤外時(shí)，高壓氫氣射流6 mm處激波結(jié)構(gòu)截面如圖9所示。可以看出此時(shí)高壓氫氣的馬赫數(shù)明顯小于圖5、圖7，已經(jīng)接近環(huán)境情況。這是由于高壓氫氣射流經(jīng)過(guò)馬赫盤后，壓力與溫度逐漸恢復(fù)到環(huán)境溫度。雖然不如激光照射在馬赫盤以內(nèi)的圖像清晰，但依舊可以看出高壓氫氣射流的位置。用CCD相機(jī)拍攝的圖像經(jīng)數(shù)字圖像處理后的灰度圖像如圖10所示。相比馬赫盤以內(nèi)的兩張灰度圖像圖6與圖8，圖10所示的馬赫盤以外灰度圖像非常模糊。這是由于高壓氫氣射流經(jīng)過(guò)馬赫盤后，壓力和溫度逐漸降低到與周圍空氣相同，因此根據(jù)該圖像很難判斷出高壓氫氣泄漏口的位置。

圖9 馬赫盤以外

圖10 馬赫盤以外灰度圖像

由以上三組圖像對(duì)比可知，激光照射在馬赫盤以內(nèi)射流核心區(qū)時(shí)，安裝在上方特定位置的CCD相機(jī)能夠清晰拍攝高壓氫氣射流圖像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)即可判斷氫氣是否泄漏以及泄漏的位置。當(dāng)激光平行照射在馬赫盤以外的射流核心區(qū)外時(shí)，CCD相機(jī)拍攝的高壓氫氣射流圖像比較模糊，難以判斷高壓氫氣泄漏的情況。

3 壓強(qiáng)及泄漏口直徑仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述得到的高壓氫氣射流圖像，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行反推，可判斷高壓儲(chǔ)氫罐泄漏口的大小與泄漏位置。泄漏口位置為各高壓氫氣射流圖像圓環(huán)重合中心處。由仿真結(jié)果可知，高壓氫氣射流的圖像與高壓氫氣的壓強(qiáng)和泄漏口的大小有關(guān)，下面具體研究它們之間的關(guān)系。

3.1 壓強(qiáng)組模擬結(jié)果

對(duì)直徑1 mm的泄漏口分別在3，5，7 MPa三個(gè)不同壓強(qiáng)條件進(jìn)行仿真，使用MATLAB處理后，結(jié)果如圖11所示。

圖11 泄漏口直徑為1 mm時(shí)，不同壓強(qiáng)條件下高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)馬赫數(shù)云圖

由圖11可以看出，壓強(qiáng)為3，5，7 MPa時(shí)，2 mm高處截面仍在高壓氫氣射流核心區(qū)，但壓強(qiáng)為5 MPa與7 MPa時(shí)，4 mm高處截面在馬赫盤以外，不在核心區(qū)，所以用MATLAB分別仿真其在2 mm截面處情況，如圖12所示。

根據(jù)圖像，使用MATLAB計(jì)算出高壓氫氣射流的馬赫盤以下邊界層直徑，即綠色圓環(huán)外圈的直徑，如表1所示。

圖12 泄漏口直徑為1 mm時(shí)不同壓強(qiáng)條件下高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)2 mm截面馬赫數(shù)云圖

表1 不同壓強(qiáng)條件下1 mm泄漏口直徑高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)在2 mm高處邊界層直徑

由表1可知，隨著壓強(qiáng)的增大，1 mm泄漏口直徑高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)在2 mm高處邊界層的直徑不斷減小，且減小速度不斷增加。

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)用二階多項(xiàng)式算法進(jìn)行擬合，可得1 mm泄漏口直經(jīng)條件下高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)在2 mm高邊界層直徑與高壓氫氣壓強(qiáng)的關(guān)系如式（4）。

式中：D為核心區(qū)直徑，mm；p為高壓氫氣的壓強(qiáng)，MPa。

3.2 泄漏口直徑組模擬結(jié)果

對(duì)壓強(qiáng)為5 MPa的泄漏口進(jìn)行3個(gè)不同泄漏口直徑條件的仿真，泄漏口直徑條件分別為0.5，1，1.5 mm，經(jīng)MATLAB處理后結(jié)果如圖13所示。

圖13 壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)不同泄漏口直徑條件下高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)馬赫數(shù)云圖

由圖13可以看出，1 mm高處截面仍在高壓氫氣射流核心區(qū)，壓強(qiáng)為3 MPa時(shí)，2 mm高處截面在馬赫盤以外，不在核心區(qū)。分別用MATLAB仿真其1 mm截面處情況，如圖14所示。利用MATLAB計(jì)算高壓氫氣射流的馬赫盤以下邊界層直徑，即綠色圓環(huán)外圈的直徑，如表2所示。

圖14 壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)不同泄漏口直徑條件下高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)1 mm截面馬赫數(shù)云圖

表2 5 MPa氫氣射流激波結(jié)構(gòu)在1 mm高處邊界層泄露口直徑

由表2可知，隨著泄漏口的增大，5 MPa壓強(qiáng)高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)1 mm高處邊界層直徑不斷增大，且增大速度逐漸減小。

對(duì)表2所示數(shù)據(jù)用二階多項(xiàng)式算法進(jìn)行擬合，可得5 MPa壓強(qiáng)條件下高壓氫氣射流激波結(jié)構(gòu)在1 mm高邊界層直徑與高壓氫氣泄漏口直徑的關(guān)系。式中：D為核心區(qū)直徑，mm；p為高壓氫氣的壓強(qiáng)，MPa。

4 結(jié)論

提出了光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測(cè)方法，通過(guò)控制電路發(fā)出信號(hào)，使激光發(fā)射器發(fā)出激光，經(jīng)柱面透鏡組及反射鏡后形成光面照射儲(chǔ)氫罐表面，利用安裝在儲(chǔ)氫罐上方特定位置的CCD相機(jī)拍照采集圖像并傳輸至計(jì)算機(jī)，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)氫氣泄漏情況。對(duì)高壓氫氣泄漏進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，結(jié)果驗(yàn)證了高壓氫氣射流的分層流動(dòng)模型；對(duì)壓強(qiáng)和泄漏口直徑條件進(jìn)行分組仿真，根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)出高壓氫氣泄漏口直徑與特定高度高壓氫氣射流邊界層直徑的關(guān)系以及高壓氫氣壓強(qiáng)與特定高度高壓氫氣射流邊界層直徑的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)高壓氫氣泄漏快速準(zhǔn)確檢測(cè)提供了技術(shù)支撐，對(duì)氫能的安全化推廣應(yīng)用起到了促進(jìn)作用。