低温高压氢气水平喷射火焰的数值模拟与温度分布特性研究

针对低温压缩氢气在开放环境中的喷射火焰安全风险问题，研究人员采用CFD软件结合Realizable k-ε湍流模型和Eddy Dissipation Model（EDM）燃烧模型，系统研究了喷嘴直径（1-4 mm）、环境风速（0-4 m/s）、滞止温度（155-210 K）和压力（0.15-0.35 MPa）对火焰长度的影响，建立了考虑风速作用的火焰长度经验公式，为氢能储运安全设计提供了重要理论支撑。

　　

在全球变暖背景下，氢能作为高效清洁能源成为能源转型的关键角色。低温压缩氢气（Cryogenic Compressed Hydrogen, CCH2）因其高能量密度在大规模储运中展现出显著优势，但泄漏后可能引发喷射火焰、爆炸等连锁灾害。尽管已有学者对常温高压氢气喷射火焰开展研究，但针对环境风速等工业泄漏关键边界条件对CCH2火焰的影响仍缺乏系统认知。

为填补这一空白，研究人员基于ANSYS Fluent软件构建数值模型，采用Realizable k-ε湍流模型和涡耗散燃烧模型（Eddy Dissipation Model, EDM），结合虚拟喷嘴理论降低计算成本。研究通过文献实验数据验证模型可靠性后，重点考察了喷嘴直径（1-4 mm）、滞止压力（0.15-0.35 MPa）、滞止温度（155-210 K）及环境风速（1-4 m/s）对水平喷射火焰的影响。

关键技术方法包括：1）基于Favre平均的守恒方程求解质量/动量/能量/组分输运；2）采用Realizable k-ε模型捕捉湍流效应；3）应用EDM模型模拟燃烧过程；4）建立5.5m×5m圆柱计算域确保火焰充分发展；5）通过数据拟合推导无量纲经验公式。

【数值模型】
通过求解包含密度（ρ）、速度分量（u_i）、压力（p）和湍流粘度（μ_t）的守恒方程组，模型完整描述了流体动力学行为。其中能量方程引入湍流普朗特数（Pr_t）和施密特数（Sc_t）关联传热与组分扩散。

【物理建模与网格生成】
计算域设计为轴向5.5m、直径5m的圆柱体，覆盖了火焰充分发展的空间尺度。网格独立性验证确保结果不受离散化误差影响。

【喷嘴直径影响】
在155 K滞止温度下，火焰长度与喷嘴直径呈正相关。1 mm喷嘴在0.15 MPa时火焰长度为1.2 m，而4 mm喷嘴在0.35 MPa时增至3.8 m，证实直径增大显著延长燃烧区。

【环境风速效应】
发现风速存在临界转折点：0-1 m/s时火焰长度随风速增加（最大增幅15%），1-4 m/s时则递减（最大缩减22%），这与空气卷吸和火焰拉伸效应的竞争机制有关。

【滞止参数规律】
火焰长度与滞止压力正相关，与滞止温度负相关。210 K时火焰较155 K缩短约18%，而压力每增加0.1 MPa火焰延长12%-25%。

【结论与意义】
研究首次建立了包含风速因子的CCH2火焰长度预测公式，揭示了温度/压力/直径的耦合作用规律。成果为氢能设施安全间距设计、泄漏应急响应提供了量化依据，推动氢经济安全发展。论文发表于《Journal of Energy Storage》，通讯作者Qiu Tao团队的工作为低温氢安全研究树立了新基准。