基于CFD的液氫泄漏擴散防護方式特性研究

王雅文，陳延偉，2，趙惠平，2，胡 洋

(1.中國船舶集團有限公司第七一三研究所， 鄭州 450015； 2.鄭州市特種場所火災(zāi)防護技術(shù)重點實驗室， 鄭州 450015)

在過去的幾十年里，氫在化工、清潔能源以及航天推進等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于氫在常溫狀態(tài)下是氣體，能量密度低，因此在氫的大規(guī)模儲存、運輸和應(yīng)用時，一般會將氫氣液化儲存于高真空的絕熱容器中[1]。由于氫本身的物理化學(xué)性質(zhì)，一旦儲存的液氫發(fā)生泄漏蒸發(fā)，液氫將會在地面形成低溫液池[2]，同時快速蒸發(fā)形成可燃氫氣云團，對周圍人群和環(huán)境構(gòu)成巨大的潛在威脅。可通過模擬獲得液氫泄漏后的擴散規(guī)律，預(yù)估可燃氫氣云團的燃爆時間范圍與最大危險濃度范圍等，為減少發(fā)生火災(zāi)等二次事故提供一定的理論依據(jù)。此外還可以通過在液氫泄漏口上風(fēng)向設(shè)置障礙物以及在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口，利用障礙物后的渦團以及加速氫氣-空氣摻混來快速降低氫云的濃度，減少氫氣云團發(fā)生危險的時間與近地面的危險距離。

目前國內(nèi)外研究人員已開展一些針對液氫泄漏的實驗研究。美國國家航空航天局(NASA)[3]實驗研究了不同環(huán)境因素對敞開空間液氫大規(guī)模泄漏擴散過程的影響，統(tǒng)計獲得了液氫泄漏后的液池蒸發(fā)擴散規(guī)律；德國材料監(jiān)測協(xié)會(BAM)[4]對多個建筑物之間的液氫泄漏過程進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)地面液氫池最大半徑可達1 m；英國健康和安全實驗室[5-6](HSL)在山谷中模擬研究了液氫儲罐在轉(zhuǎn)注過程中連接軟管泄漏過程，發(fā)現(xiàn)泄漏口附近空氣組分(氧氣和氮氣)存在凝華現(xiàn)象，在點燃實驗中也得到了火焰速度、熱輻射通量等數(shù)據(jù)。

數(shù)值模擬研究也主要依據(jù)上述3個組織的實驗結(jié)果來開展。Giannissi等[7]將泄漏源建立為液氫和氫氣混合的兩相狀態(tài)，考慮地面熱傳導(dǎo)，模擬再現(xiàn)了NASA 液氫泄漏試驗，對比分析了模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模擬方法的可行性。Middha等[8]模擬發(fā)現(xiàn)液氫泄漏初期為重氣擴散，而氫氣云團溫度上升至常溫后則表現(xiàn)為輕氣擴散。Ichard等[9]對HSL的液氫泄漏實驗進行了數(shù)值模擬，分別設(shè)置泄漏出口兩相流中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.6%、14%、31%、65%和100%，發(fā)現(xiàn)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%時模擬結(jié)果與試驗最為接近，并且發(fā)現(xiàn)氧氣與氮氣冷凝釋放的能量，使氫氣云變得更有浮力。Statharas等[10]數(shù)值模擬了BAM氫氣擴散實驗，發(fā)現(xiàn)建筑物間氫氣擴散受自然風(fēng)及建筑物附近的回流影響，并且地面與氫氣的熱交換會顯著影響氫氣云團擴散的行為特征。邵翔宇等[11]對NASA實驗進行數(shù)值模擬，研究得到了氫氣云團在敞開空間下的動態(tài)擴散行為。

綜上可以看出，對于液氫泄漏擴散過程氫氣云團的濃度變化規(guī)律以及如何促進氫云擴散的研究較少。因此本文通過建立描述液氫大規(guī)模泄漏擴散過程的三維CFD模型，并用NASA實驗數(shù)據(jù)驗證模型的可靠性，著重研究氫氣云團擴散過程中的變化規(guī)律，以及能夠較少氫氣云團危險時間與危險距離的方法，為液氫泄漏防護提供一定的理論依據(jù)。

1 大規(guī)模液氫泄漏擴散過程數(shù)值模型

1.1 液氫泄漏擴散過程控制方程

液氫泄漏擴散過程采用多相流Mixture模型和Realizablek-ε湍流模型進行模擬，相間傳質(zhì)過程采用蒸發(fā)-冷凝模型[12-13]。其中Mixture模型控制方程為

(1)

(2)

▽·(keff·▽T)+Sg

(3)

液相體積分?jǐn)?shù)方程為

(4)

液氫泄漏擴散過程相變計算采用Lee模型，判斷流場內(nèi)流體若高于設(shè)定的相變溫度，則認(rèn)為其蒸發(fā)，若低于相變溫度，則產(chǎn)生冷凝。氣液兩相間傳質(zhì)方程為

(5)

(6)

式中：coeff為相變傳質(zhì)系數(shù)，本文擬通過數(shù)值計算與實驗結(jié)果對照的方法，取蒸發(fā)系數(shù)為0.5。Tsat為飽和溫度。

組分輸運模型為

(7)

(8)

1.2 泄漏擴散模型有效性評估

NASA曾開展的液氫泄漏實驗中，第6次實驗的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等各種因素相對穩(wěn)定，實驗數(shù)據(jù)最完整準(zhǔn)確，具有可參考性。為了驗證上述數(shù)理方程組及相變模型的準(zhǔn)確性，選取了 NASA[14]的第6次大規(guī)模液氫泛溢實驗數(shù)據(jù)作為模型搭建參考以及模型驗證對比。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，選取250 mm×60 mm×100 m的計算區(qū)域，63萬網(wǎng)格。

由圖1可以看出：當(dāng)液氫泄漏至22 s時，氫氣云團屬于重氣擴散階段，云團向下游擴散，但尾部尚未脫離地面，與實驗相比氫氣云團運動趨勢正確。表1為模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)。

圖1 NASA第6次實驗22 s時氫氣濃度和模擬得到的氫氣濃度圖

表1 CFD模擬與實驗結(jié)果

由表1可以看出：在22 s時刻，氫氣云團的高度、下風(fēng)向距離與實驗數(shù)據(jù)接近。在氫氣云團擴散出危險濃度范圍時，云團達到的最遠距離較大，相對于泄漏口附近的網(wǎng)格，此部分區(qū)域網(wǎng)格尺寸更大，耗散性增加，因此計算結(jié)果的質(zhì)量略有下降。并且實驗中云團擴散達到的最遠區(qū)域監(jiān)測點布置少，氫氣云團濃度較低時不易測量，存在測量誤差。因此本文計算結(jié)果尚可接受，可認(rèn)為計算模型有效性被驗證。

2 敞開空間氫氣云團擴散規(guī)律

在敞開空間情況下，選取液氫泄漏持續(xù)時間分別為18 s、28 s、38 s、48 s和58 s 5種工況，氫氣云團的最大濃度和最低溫度隨時間變化如圖2和圖3所示。以泄漏持續(xù)時間為38 s為例，取此種工況開始泄漏后10 s，25 s，43 s和53 s 時刻的氫氣云團擴散過程如圖4所示。

圖2 氫氣云團濃度最大值隨時間變化曲線

圖3 氫氣云團最低溫度隨時間變化曲線

圖4 氫氣云團擴散過程示意圖

液氫開始泄漏后，和地面換熱逐漸形成氫氣云團，氫云的最低溫度接近飽和溫度(20 K)，密度較大，與空氣摻混程度極低，氫云的最大濃度接近1；而在38～52 s時間內(nèi)，氫云濃度迅速下降，云團最低溫度顯著升高至250 K左右，此階段是液氫停止泄漏后，氫氣云團與周圍空氣擴散混合的主要階段。在52～62 s時間內(nèi)，由于混合云進一步卷吸空氣換熱，氫氣濃度逐漸下降至4%，云團溫度繼續(xù)升高至260 K，此時可認(rèn)為液氫完全蒸發(fā)。當(dāng)液氫泄漏時間大于62 s時，云團溫度開始緩慢上升至接近環(huán)境溫度并保持不變，氫云濃度也下降至2%左右，此時氫氣云團與空氣充分摻混，危險性較小。

在此提取上述5種工況下液氫停止泄漏后的快速擴散階段氫氣濃度隨時間變化如圖5所示，可以擬合得到氫氣濃度隨時間變化規(guī)律為

圖5 氫氣云團快速擴散階段濃度變化曲線

(11)

3 障礙物和出風(fēng)口對氫氣云團擴散過程影響分析

在儲罐上風(fēng)向設(shè)置障礙物可以通過障礙物背風(fēng)側(cè)的渦旋加速氫氣云團與空氣摻混，而在下風(fēng)向設(shè)置障礙物則會導(dǎo)致液氫積聚， 不利于氫氣云團擴散，但在下風(fēng)向地面設(shè)置出風(fēng)口則可以加劇氫氣云團與空氣的摻混擴散。因此分別在泄漏口上風(fēng)向7 m處設(shè)置長30 m、寬1 m、高7 m的障礙物，在儲罐下風(fēng)向7 m處設(shè)置一個面積1 m × 1 m的出風(fēng)口向上吹風(fēng)，以研究吹風(fēng)對液氫泄漏產(chǎn)生的氫氣云團擴散過程的影響，分別建立模型，示意圖如圖6和圖7所示。

圖6 增設(shè)障礙物后大規(guī)模液氫泄漏示意圖

圖7 增設(shè)出風(fēng)口后大規(guī)模液氫泄漏示意圖

在穩(wěn)定風(fēng)場結(jié)果的基礎(chǔ)上分別模擬研究上風(fēng)向障礙物和下風(fēng)向出風(fēng)口存在情況下的液氫泄漏擴散過程，2種工況的結(jié)果與敞開空間的氫氣云團濃度變化情況如圖8所示，圖中左列為擋板在上風(fēng)向工況，中間為敞開空間工況，右列為下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口工況。液氫泄漏持續(xù)時間為38 s，我們選取開始泄漏后10 s、25 s、43 s與53 s的氫氣濃度云圖，對比研究2種干預(yù)方法對氫氣云團擴散過程的影響。

圖8 上風(fēng)向障礙物、敞開空間、下風(fēng)向出風(fēng)口3種情況下氫氣云團擴散濃度變化情況示意圖

液氫開始泄漏10 s時，泄漏后溫度極低的氫氣與少量空氣混合形成溫度低密度大的“冷氣云”。位于上風(fēng)向的障礙物背風(fēng)側(cè)旋渦卷吸氫氣云團和空氣摻混擴散，當(dāng)氣云高度超過障礙物時，則受自然風(fēng)影響向下游快速擴散；而敞開空間液氫泄漏形成的氣云徘徊在地面附近，擴散程度較低；下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口工況與敞開空間下氣云變化相似，但因為出風(fēng)口的存在， 此工況下的氫云會繞過出風(fēng)口，向更下游擴散。

液氫泄漏至25 s時，氫氣云團在重力效應(yīng)支配下向地面沉降。位于上風(fēng)向障礙物背風(fēng)側(cè)的氫氣云團進一步擴散，濃度較高區(qū)域在泄漏口附近，氫氣云團體積較小；敞開空間下氫氣云團受自然風(fēng)與重力效應(yīng)影響向下游擴散，氣云變得又扁又寬，體積迅速增長；而在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口導(dǎo)致氣云在水平方向擴散被阻礙，在出風(fēng)口的作用下，氣云逐漸向上漂浮，云團體積進一步擴大。

43 s時液氫已停止泄漏，云團逐漸被稀釋，濃度快速下降，密度降低，重力效應(yīng)逐步減弱，大氣湍流效應(yīng)得到加強。因此云團向豎直方向擴散明顯，橫向擴散速率減緩，云團體積進一步膨脹，高度增大，對空氣卷吸作用增強。上風(fēng)向障礙物的存在，減小了向下游擴散的范圍，氫氣云團體積增長較小，較高濃度區(qū)域向豎直方向擴散明顯；而敞開空間下氫氣云團體積繼續(xù)增長，向下游及豎直方向充分?jǐn)U散；下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口工況，氣云在風(fēng)的作用下，擴散高度增加明顯，較高濃度區(qū)域逐漸脫離地面，地面?zhèn)鲗?dǎo)作用減弱，同時在浮力驅(qū)動作用下，向下游方向也充分?jǐn)U散。

53 s時，此時氫氣云團屬于被動擴散階段。風(fēng)力驅(qū)動對上風(fēng)向障礙物工況作用不明顯，氣云可達到的最大高度與最遠水平方向都較小，并且由于障礙物背風(fēng)側(cè)的渦流存在使得氫氣云團的濃度下降很快。此階段氫氣云團在敞開空間和下風(fēng)向出風(fēng)口工況下擴散規(guī)律相似，浮力驅(qū)動效果明顯，氣云體積繼續(xù)增長并在風(fēng)力作用下向水平方向快速擴散，云團密度進一步降低并逐漸脫離地面，并且出風(fēng)口的吹風(fēng)作用使得氫氣云團完全脫離地面的時間短于敞開空間工況。

總的來說，相較于敞開空間工況，在泄漏口上風(fēng)向設(shè)置障礙物以及在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口2種方法都能夠?qū)錃庠茍F的擴散走向起到一定的引導(dǎo)作用，并且減少了氣云向下游擴散的距離，減輕云團對下游的危險程度。不同的是在上風(fēng)向設(shè)置障礙物時氫氣云團體積較小，擴散達到的最大高度和水平方向最遠距離均較?。欢谙掠卧O(shè)置出風(fēng)口則使得氣云與空氣摻混程度高，氣云體積增長迅速，浮力驅(qū)動作用大于重力沉降效應(yīng)，向上卷吸更加明顯，導(dǎo)致最終氣云體積較大。

4 障礙物和出風(fēng)口對可燃氫氣云團擴散特性影響分析

氫氣云團的可燃濃度范圍在4%～75%，將液氫停止泄漏視為起始時刻，即從38 s開始，上風(fēng)向障礙物、敞開空間和下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口3種工況下可燃氫氣云團的擴散特性時間參數(shù)如表2所示，云團濃度和最低溫度變化如圖9所示。

表2 不同工況下可燃氫氣云團擴散時間特性參數(shù)

圖9 液氫停止泄漏后可燃氫氣云團時間特性參數(shù)變化曲線

由表2和圖9可以看出：液氫停止泄漏后，液氫逐漸完全蒸發(fā)并與空氣摻混形成可燃氫氣云團，與敞開空間相比，氫氣云團擴散規(guī)律相似，停止泄漏后的10 s內(nèi)屬于快速擴散階段，此時氫氣云團與空氣快速摻混，濃度迅速下降，云團溫度升高至250 K左右，然后氫氣云團緩慢擴散出可燃濃度范圍(4%)，溫度也逐漸升高至環(huán)境溫度。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，在泄漏口上風(fēng)向設(shè)置障礙物，能夠使得可燃氣云濃度下降至爆轟濃度(18.3%)、危險濃度(8%)和可燃濃度(4%)的時間[15]相比敞開空間工況時分別減少了17%、26%和15%，說明在上風(fēng)向設(shè)置障礙物能夠明顯加速可燃氫氣云團的擴散，降低可燃氣云的危險性。

而在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口，下降至爆轟濃度(18.3%)的時間明顯縮短，相比敞開空間工況減少50%，這可能是因為出風(fēng)口設(shè)置在泄漏口附近，此時吹風(fēng)對氫云團的擴散作用明顯，說明在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口能大大降低可燃氣云發(fā)生爆轟的可能性。而后續(xù)氫氣云團飄出了出風(fēng)口的作用空間，而且氫氣云脫離了地面，地面導(dǎo)熱作用減小，可燃云的氫濃度擴散速度降低。

除了時間外，可燃氣云在擴散過程中的空間特性也需要注意，計算得到可燃氫氣云團擴散特性的空間參數(shù)和云團的最遠下風(fēng)向距離、最大高度變化分別如表3和圖10所示。

表3 可燃氫氣云團擴散空間特性參數(shù)

圖10 液氫停止泄漏后可燃氫氣云團空間特性參數(shù)變化曲線

由表3和圖10可以看出：在液氫停止泄漏后，可燃氫氣云團(4%～75%)的水平方向最遠距離與豎直方向最大高度均隨時間增長，相較于敞開空間工況，在上風(fēng)向設(shè)置障礙物與在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口都能夠減小可燃氫氣云團在水平方向的最遠距離，障礙物的存在減小了可燃云在高度方向的擴散范圍，而出風(fēng)口的存在使得可燃云在高度方向擴散明顯。

在泄漏口上風(fēng)向設(shè)置障礙物，其背風(fēng)面漩渦的卷吸作用使得液氫泄漏初期可燃氫氣云團和空氣快速摻混，并達到一定高度后受風(fēng)場作用向下風(fēng)向擴散。停止泄漏后，水平方向上可燃氫氣云團擴散速度較快，氫氣濃度迅速下降至可燃濃度(4%)以下，因此最遠下風(fēng)向距離和豎直方向上的最大高度變化較小。

在泄漏口下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口，吹風(fēng)作用導(dǎo)致云團浮力效應(yīng)增大，豎直方向的最大高度增加明顯，出風(fēng)口的作用使氫氣云團與空氣摻混程度大，因此相比上風(fēng)向障礙物工況，氫氣可燃云團擴散到的最遠下風(fēng)向與豎直方向范圍都較大。

5 結(jié)論

針對大規(guī)模液氫泄漏的后續(xù)行為，本文構(gòu)建了對大規(guī)模液氫泄漏擴散過程的數(shù)值模型，采用商業(yè)軟件Fluent研究了風(fēng)場存在下的液氫泄漏蒸發(fā)后可燃氫氣云團濃度變化過程，擬合得到了液氫停止泄漏后的快速階段中氫氣濃度隨時間的變化規(guī)律曲線。以及對比研究了上風(fēng)向設(shè)置障礙物與下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口2種方法對液氫泄漏擴散過程的規(guī)律、時間特性及空間特性的影響。主要結(jié)論有：

1) 提取5種不同泄漏時間工況下液氫停止泄漏后的快速擴散階段氫氣濃度隨時間變化規(guī)律，擬合得到氫氣濃度隨時間變化規(guī)律為

2) 上風(fēng)向設(shè)置障礙物時，其背風(fēng)側(cè)旋渦會導(dǎo)致氫氣云團和空氣迅速摻混，加上地面與墻體的導(dǎo)熱作用，使得氫氣可燃云團擴散出可燃范圍(4%～75%)的時間減小15%。在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口，因吹風(fēng)作用，下降出爆轟濃度(18.3%)的時間縮短50%，而后氫氣云團飄出了出風(fēng)口的作用空間，并且氫氣云團脫離地面，地面導(dǎo)熱作用消失，可燃云的氫濃度擴散速度降低。

3) 上風(fēng)向設(shè)置障礙物與在下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口都能夠減小可燃氫氣云團在水平方向的最遠距離，障礙物的存在減小了可燃云在高度方向的擴散范圍，而出風(fēng)口的存在使得可燃云在高度方向擴散明顯，2種方式均能夠?qū)ο掠谓孛娴慕ㄖ锲鸬揭欢ūＷo作用。

通過研究液氫泄漏后氫氣云團擴散過程，擬合出液氫停止泄漏后快速擴散階段的氫氣濃度隨時間變化規(guī)律曲線，通過上風(fēng)向設(shè)置障礙物與下風(fēng)向設(shè)置出風(fēng)口2種方法，發(fā)現(xiàn)均可在一定程度上減少氫氣云團擴散出可燃范圍的時間，減小可燃云在下風(fēng)向的擴散范圍，使得氫氣云團按照預(yù)定路線加速擴散，減輕火災(zāi)風(fēng)險。