【摘 要】
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氢能作为最清洁的能源,被认为是最具发展潜力的能源之一,世界各地均已开展了对氢能的发展和应用。成熟完备的储氢技术对推动氢能发展至关重要,目前氢能多以高压气态储存,一旦发生意外泄漏若不及时正确地处理将会造成严重的安全事故,因此对泄漏氢气的扩散规律进行研究将为之后的吹扫方案制定提供依据。实际中的高压氢气泄漏情况复杂,泄漏口多为不规则的形状,泄漏孔的形状不同,氢气泄漏的扩散规律存在很大差别。目前大多研究将
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氢能作为最清洁的能源,被认为是最具发展潜力的能源之一,世界各地均已开展了对氢能的发展和应用。成熟完备的储氢技术对推动氢能发展至关重要,目前氢能多以高压气态储存,一旦发生意外泄漏若不及时正确地处理将会造成严重的安全事故,因此对泄漏氢气的扩散规律进行研究将为之后的吹扫方案制定提供依据。实际中的高压氢气泄漏情况复杂,泄漏口多为不规则的形状,泄漏孔的形状不同,氢气泄漏的扩散规律存在很大差别。目前大多研究将泄漏孔等效为圆形孔进行扩散规律研究,缺少不同形式泄漏孔的氢气扩散规律研究。因此,本文将开展不同形式泄漏孔的氢气泄漏扩散研究,得到的扩散规律为进一步的安全措施制定提供参考,本文主要工作如下:(1)首先将高压氢气泄漏口简化为圆形孔和矩形孔两种形式,并假设矩形孔氢气泄漏射流场为多个“虚射流”叠加构成。对矩形泄漏孔提出区别于圆形泄漏孔射流的非轴对称“虚射流”理论模型。积分模型可对泄漏的浓度场进行计算,可以得到氢气在泄漏后的浓度分布情况。对矩形泄漏孔长轴和短轴浓度分布进行分析可知,高压氢气在泄漏出口发生了明显的轴转换现象,短轴方向氢气浓度扩散逐渐增快,长轴方向氢气向中心线聚集。(2)基于流体力学三大控制方程以及数值仿真模型,对圆形泄漏孔和矩形泄漏孔进行高压氢气射流数值仿真模拟。首先,对圆形泄漏孔高压射流采用的是二维轴对称计算流体域,模拟采用了低压泄漏与高压泄漏对照模拟,分别对射流的浓度场、速度场以及可燃域进行了分析。其次,矩形泄漏孔高压射流需建立三维的模型进行计算,模拟结果发现氢气泄漏出口发生了轴转换现象,长轴平面沿射流中心线聚集,短轴平面迅速向径向扩散,符合矩形泄漏孔射流的真实情况。(3)为验证所提出的“虚射流”积分模型的可靠性,搭建高压氢气泄放试验平台,对圆形泄漏孔和矩形泄漏孔进行试验研究。考虑安全问题,本试验采用氦气代替氢气进行相关研究。通过改变泄漏初始压力对氦气浓度进行监测,由试验结果可得,圆形泄漏孔射流氦气浓度沿中心轴线呈现双曲线衰减,矩形泄漏孔射流氦气浓度发生了明显的轴转换现象,对比试验结果与积分模型计算的浓度分布,对高压欠膨胀模型和“虚射流”模型的可靠性进行验证。结果表明:(1)随着初始压力的增大矩形泄漏孔出口的氢气摩尔质量浓度危险范围增大,整个扩散区域变大。氢气从矩形泄漏孔到0-40 cm衰减速率快,在40 cm之后速率逐渐平缓。(2)通过数值模拟发现高压氢气会在泄漏出口产生激波结构,激波结构中心区域为马赫盘,周围为混合边界层。圆形泄漏孔氢气射流氢气会沿着水平射流方向进行扩散,然而径向扩散只在射流出口位置处存在。矩形泄漏孔氢气射流高压氢气流出泄漏孔后氢气受动能主导高速膨胀加速后会发生明显的轴转换现象。(3)高压氦气泄漏试验表明,矩形泄漏孔扩散速度要略快于圆形泄漏孔扩散速度,但二者随着射流的持续进行,氦气浓度沿着轴线均呈现衰减现象,且矩形泄漏孔的衰减速率大于圆形泄漏孔。
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