液氢泄漏事故中氢气可燃云团的扩散规律研究.doc

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1、液氢泄漏事故中氢气可燃云团的扩散规律研究摘要：针对液氢生产、储存、运输过程中发生瞬时大流量泄漏的问题，对美国国家航空航天局进行的液氢泄放实验进行了数值模拟。采用非均相的混合模型，考虑气液相间速度滑移，对氢气、空气云团内部浓度、温度、密度等物理量的动态变化规律，以及可燃云团在竖直方向的扩散范围进行研究，揭示了可燃云团在开放空间的动态扩散行为，其扩散行为分为重气扩散、浮升扩散和被动扩散3个阶段。浮升扩散阶段为可燃云团扩散的最主要阶段，发生在停止泄放后大约8s的很短时间内，氢气浓度急剧下降，云团快速脱离地表并升高至约30m，在被动扩散阶段可燃云团扩散最慢，却占据大部分时间，即大约60s的时间，此阶段

2、可燃云团维持在约40m的高空并且随风飘移。在风速较低的工况下，温差导致的低温氢气与空气的局部湍流相混合，是可燃云团扩散的主要动力。液氢将逐步作为主流推进剂，广泛应用于发射空间站、载人登月、登陆火星和深空探测领域1。虽然液氢与其他推进剂相比具有显著优势，但其易扩散、可燃范围宽（4%75%）、点火能量小（0.019mJ）的特点，使得其在贮存、运输、加注过程中存在严重的安全隐患，历史上曾发生过多次由液氢泄漏引起的安全事故2-3。因此，开展液氢泄漏扩散规律的研究，对于预防和避免火灾、爆炸事故发生，指导事故应急处置，降低人身和财产损失，有着重要的现实意义。国内外研究机构开展了6组液氢泄漏扩散的实验研究4

3、-9，其中美国国家航空航天局（NASA）进行的大流量瞬时泄放实验，英国健康与安全实验室（HSL）进行的小流量连续泄放实验，具有较强的代表性。NASA于1980年在白沙试验基地（WSTF）进行的液氢泄放实验，获得了液氢池的大小和测点的氢气浓度等数据，以及可见云团的动态扩散过程5，10，但是该实验并未获得远场（监测塔之外）的氢气浓度场。2011年，HSL在山谷中进行了14次液氢泄放实验，来模拟液氢储罐在转注过程中连接软管的泄漏事故8。与其他实验不同的是，部分实验中发现了液氢池附近空气组分（氧气和氮气）的凝华现象，在4次点燃实验中也得到了火焰速度、热辐射通量等数据，但该实验同样仅获得了近场的氢气浓度

4、场。此外，国内唯一有液氢实验资质的北京航天试验技术研究所也在2016年进行了小规模的液氢泄放实验9。考虑到液氢泄放实验的安全和经济因素，国内外一些学者采用CFD来模拟上述实验，并得到了一些有益的结论。文献7，11分别采用ADREA-HF、FLACS程序验证了数值模拟研究的可行性；文献12-13研究了环境湿度和大气稳定度对氢气扩散的影响；文献14-15研究了风温、风速、地温及空气中氮氧液化对氢气扩散的影响；文献16研究了典型季节温度、风速、大气压力对可燃云团扩散的影响规律。综上所述，国内外学者虽然开展了一些液氢泄漏扩散方面的研究，但很少关注可燃云团整个扩散进程中的行为特性。本文以NASA的大规模

5、液氢泄放实验为物理模型，在文献16数值模拟研究的基础上，对处于可燃浓度下限的可燃云团的宏观扩散行为特性进行了研究，以期为事故的安全评估提供理论指导。1物理现象液氢泄漏到大气环境后所发生的物理现象，可分为以下4个阶段17-18，液氢泄漏后的物理现象如图1所示。（1）由于环境温度远高于液氢的饱和温度，当泄漏速度小于瞬时气化速度时，液氢将在泄漏口附近快速气化；若泄漏速度大于瞬时气化速度，少量的液氢在泄漏口附近气化，剩余的液氢在固体、液体壁面累积并逐步扩展为液池，直至气化速度等于液化速度时，液池停止扩展，达到最大面积。（2）液池在扩展的过程中不断吸收固体、液体壁面以及大气环境中的热量（主要为壁面导热1

6、9）而蒸发。在壁面处由于极大温差（约280K）的存在，导致液体沸腾，而在液池和空气的交界面处，液池与环境的对流和辐射换热，使得液氢进一步气化，于是液池面积开始逐渐缩小，分裂为若干小液池，直至消失。在此过程中，快速的气化存在发生急剧相变爆炸RPT的可能。（3）气化后的低温氢气与周围空气之间存在着较大的温差，使得二者快速混合，并在大气湍流的作用下加速混合、扩散，直至扩散至安全浓度（4%）。（4）上述液氢泄漏、气化和低温氢气扩散的过程中，可燃云团遇到合适的点火源，将发生燃烧、爆炸甚至爆轰事故。2物理模型2.1实验描述5，10NASA共进行了7次液氢泄放实验，其中第6次获得了较为全面的数据。5.7m3

7、液氢自杜瓦经绝热管道（长为30m，内径为15.2cm）从泄放口泄放到开放空间，泄放时间为38s。泄放口位于一个直径为9.14m的圆形池子（地表为压实的沙子）中心。环境温度为15，相对湿度为29%，风速为（1.750.55）m/s，大气压力为78630Pa。在下风向布置了9个19.5m高的监测塔，每个监测塔上设有热电偶、氢气传感器、气体取样瓶和湍流指示器，监测塔到泄放口距离为R，如图2所示。此外，在泄放口外围1、2、3m处设置热电偶，用以探测液氢池的动态变化，可见云团的动态扩散过程会被摄像机记录下来。虽然低温氢气并不可见，但当其温度低于环境空气中水蒸气的饱和温度时，造成水蒸气的冷凝并反射光线，使

8、得无色的氢气云团被观测到，因此称其为可见云团。实验中，可见云团的持续时间为90s，水平、竖直方向扩散的最远距离分别为160、65m，可见云团边缘对应的氢气体积分数为6.7%。2.2网格划分及边界条件在400m100m60m的空间区域内，选取一半作为计算域，采用结构化网格进行离散。坐标原点设在（0，0，0）处，泄放口位于（24.70m，0，0）处。在靠近泄放口的位置进行了网格加密，远离泄放口的位置网格逐渐稀疏，网格总数为538049，水平方向最小、最大网格尺寸分别为300、2176mm，竖直方向分别为70、1361mm，全场网格尺寸放大因子小于1.2，计算域离散示意图如图3所示。x=0平面为空气

9、入口，风速廓线采用对数律分布，10m高处风速为2.2m/s，x=400m平面为空气出口，z=0、-30m和y=100m平面为对称面边界，y=0平面为无滑移壁面，液氢泄放口为质量流量入口16。3数值求解方法3.1控制方程及代数方程混合模型（Mixture）是一种简化的多相流模型，考虑相间速度滑移时为非均相模型（NHEM），否则为均相模型（HEM）。在液氢泄漏扩散的数值模拟研究中，HEM被广泛采用14，19-20，但Giannissi等的研究21发现，与HEM相比，NHEM的计算结果与实验更为接近。本文采用NHEM模型来解决气液相的混合问题，采用增强壁面函数处理的Realizable k-湍流模型

10、模拟湍流现象。液相p（第二相）为液氢（LH2），气相q（主相）为空气（air）和氢气（H2）的混合物。混合物的质量、动量、能量方程、第二相的体积分数方程、相变模型、组分传输模型16如下。3.2模型设置在LH2泄漏和扩散之前，首先进行稳态风场的计算，作为非稳态计算的初场，稳态风场速度云图如图4所示。非稳态计算中，LH2的泄放条件通过自定义函数（UDF）实现（038s，0），蒸发相变系数为0.25。压力速度耦合采用PISO算法，对流项采用QUICK格式离散，时间步长为0.001s，收敛判据为0.00116。4数值模拟结果在前期研究中，通过与NASA实验数据对比，验证了上述数值模型的精度16。在本节

11、中，将对数值模拟的数据进行进一步分析，通过H2和空气云团内部物理量（体积分数、温度、密度）的动态变化规律，以及竖直方向扩散范围的研究，来揭示其在大气环境中的扩散行为特性。4.1浓度场变化规律为直观展示H2和空气云团的演变过程，图5给出了不同时刻H2的浓度场，t为自LH2泄放开始的时间。由图5可知：在LH2泄放期间（t=10s），由于LH2在由液态向气态H2转变的过程中，其体积有了很大程度的膨胀，伴随着周围空气被卷吸进入H2云团，其在浮力作用下开始上升，但在泄放口处不断有LH2向H2转变，其尾部并未脱离地表，同时在外界大气湍流的作用下，云团向下风向偏移，因此在此阶段云团呈现出与地表在下风向有一定

12、夹角的上浮状态；在LH2停止泄放后（t=4060s），云团与周围空气在温差作用下发生急剧混合换热，浮力逐渐超过重力，致使云团脱离地表并上升到更高的高度，同时在大气湍流和局部旋涡的共同作用下，云团内部H2浓度表现出较为显著的不均匀、不连续现象；在云团浮升阶段之后（t60s），云团基本维持在一定高度上，并在大气湍流的作用下，沿下风向飘移，相比较前两个阶段，此阶段可燃云团的体积变化非常缓慢。图6给出了H2和空气云团最大H2浓度的动态变化规律。由图6可知：在LH2泄放期间（t38s），最大H2体积分数基本高于70%；在停止泄放较短时间内（38t60s），最大H2体积分数急剧下降至较低水平（7%）；随后

13、较长时间内（60114s之后，H2和空气云团体积分数降至可燃体积分数下限以下。4.2温度场和密度场变化规律H2和空气云团最低温度的变化规律如图7所示，可知在LH2泄放期间最低温度接近饱和温度（20K），停止泄放后（38t60s），云团最低温度快速升高（260K），此后开始缓慢上升至接近环境空气温度（288.65K）。H2和空气云团密度极值的动态变化过程如图8所示，可知H2和空气云团的最大密度在整个LH2泄放期间均大于空气密度，因此该阶段云团尾部的重力大于浮力，使其贴近地表，而云团最小密度曲线显示，在该阶段其头部密度小于空气密度，使其在浮力作用下上升，这点进一步解释了图5中t=10sH2云图的形

14、态。在38t60s期间，H2和空气云团的最大密度快速下降至接近空气密度，同时最小密度值也增大至接近空气密度值，此阶段最低温度快速升高代表云团与空气发生急剧混合换热，因此云团最大浓度快速下降，并在浮力的作用下上升至更高高度，也进一步解释了图5中t=40s和50s时H2云图的形态。同样，60t114s阶段，由于云团的温度和空气温度接近，局部发生混合换热的动力减弱，致使H2体积分数下降极其缓慢，同时，由于云团和空气密度接近，浮力与重力也近乎相等，使得云团维持在一定高度基本不变，在大气湍流的作用下往下风向漂移。4.3竖直方向扩散范围图9进一步定量地展示了可燃云团在竖直方向的扩散范围（最小离地高度和最大

15、离地高度）。由图9可知，在LH2泄放期间（t38s），可燃云团（LFL）头部呈不断上升趋势，最高约50m，其尾部始终贴近地表；停止泄放后的较短时间内（8s），可燃云团尾部脱离地表，并快速上升，至约65s后缓慢上升，维持在40m左右的高度。由4.1、4.2节可知，造成LH2停止泄放后短期内可燃云团快速上升，并随后维持一定高度的原因，是低温H2与周围空气在巨大温差的作用下而发生急剧混合换热，导致可燃云团在浮力作用下升高，随着温差和密度差的减小，局部混合的动力减弱，可燃云团不再升高，维持在一定高度随风移动。值得注意的是，虽然可燃云团存续时间为114s，但在液氢停止泄放约20s内（t65s），可燃云团快速升高并维持在数十米的高度，据此有理由推断，对此类开放空间的液氢泄放事故（5m3量级），发生燃烧/爆炸事故的可能性较小，即便发生此类事故，对地面人员或建筑物的影响也有限。4.4宏观扩散行为特性对于本文研究的开放空间LH2泄放工况，可燃云团的宏观扩散行为可归纳为3个阶段：重气扩散阶段，该阶段主要位于LH2泄放期间，云团尾部贴近地表，头部上浮，与地表在下风向呈一定夹角；浮升扩散阶段，该阶段是可燃云团扩散历程中的主要阶段，H2体积分数快速下降，其发生