海上氢生产平台中氢泄漏-扩散-爆炸过程与动态结构响应的集成模拟

《International Journal of Hydrogen Energy》：Integrated simulation of hydrogen leakage-diffusion-explosion and dynamic structural responses in an offshore hydrogen production platform

氢泄漏扩散爆炸过程数值模拟及平台结构动态响应研究。基于CFD-FEA耦合方法分析海上氢能平台泄漏、爆炸及结构响应，发现密闭空间爆炸因冲击波反射导致峰值超压显著增加，设备严重变形。优化通风可有效抑制氢浓度并减弱冲击波反射，降低爆炸危害。研究提出的方法为海上氢平台安全评估提供支持。

　　氢能源作为一种清洁且高能量密度的资源，正逐渐成为实现碳中和目标的关键。近年来，随着全球能源转型的加速，海上制氢技术吸引了越来越多的关注。多个国家，如英国、德国和荷兰，已经启动了海上制氢项目，标志着这一领域的发展进入了新阶段。2019年，Q13a平台被选为实施全球首个海上绿色氢气试点项目PosHYdon，这不仅体现了氢气生产技术的突破，也凸显了其在海上能源开发中的重要性。然而，海上制氢平台因其复杂的结构和广泛的设备布局，面临着氢气泄漏的风险。一旦发生泄漏，可能引发火灾甚至爆炸，造成严重的人员伤亡和设备损坏。因此，系统研究氢气泄漏和爆炸行为，以及其对平台结构的影响，对于提高海上制氢平台的安全性至关重要。

氢气的浓度是决定爆炸后果的关键因素之一。了解氢气的扩散行为，有助于准确预测爆炸的影响范围和危害程度。在过去的研究中，许多学者通过实验和数值模拟对氢气泄漏事故进行了深入探讨。例如，Gong等人研究了氢气储存温度和泄漏孔尺寸对低温高压氢气泄漏和扩散的影响。Huang等人则建立了地下停车场的三维全尺寸模型，通过实验证明了氢气泄漏和扩散的行为。Niu等人基于全尺寸加氢站模型和船上高压氢气排放系统，研究了不同喷嘴形状和泄漏压力条件下的高压氢气分布模式。这些研究虽然提供了宝贵的数据，但由于实验成本高、环境复杂，限制了其广泛应用。因此，采用计算流体力学（CFD）软件进行模拟成为一种更优的选择。

目前，常用的CFD软件如ANSYS Fluent、COMSOL和OpenFOAM等，均具备内置的物种传输模块，能够生成可靠的氢气扩散模拟结果。Li等人建立了适用于工业车间环境的温度分层氢气扩散模型，考虑了实际的热梯度效应，提高了泄漏预测的准确性。Mao等人和Qian等人利用Fluent软件研究了氢气泄漏在氢燃料电池船舶和加氢站中的分布模式，以及通风条件对氢气积聚特性和危险区域分布的影响。Wang等人则通过数值模拟研究了不同风向和风速条件下高压储罐氢气泄漏的行为。Zhang等人对千兆级集成氢燃料电池发电设施中的氢气泄漏进行了模拟，分析了其对设备安全的影响。Wei等人研究了慢性泄漏产生的氢气羽流扩散行为，发现尽管四种羽流类型在泄漏源附近差异显著，但随着距离的增加，它们都会发展为纯羽流。

此外，许多研究者通过数值模拟分析了各种因素对氢气泄漏和扩散的影响，包括环境参数（温度、湿度和结构）、泄漏条件（泄漏孔直径、泄漏角度）以及通风策略。Lin等人应用CFD数值模拟研究了大型制氢平台中因氢气泄漏引发的火灾，并系统评估了平台结构在火灾事故下的安全性。这些研究表明，CFD软件在研究氢气泄漏和扩散方面具有良好的适用性，能够准确模拟氢气在不同复杂环境下的分布行为。

然而，氢气爆炸过程的研究同样面临挑战。Kobayashi等人和Groethem等人在开放空间中进行了氢气爆炸实验，分析了爆炸后火焰传播的模式。他们的研究发现，随着储存温度的降低，氢气泄漏率和火焰长度都会增加。Tanaka等人和Merilo等人则在封闭或半封闭空间中实验研究了氢气泄漏、扩散和爆炸过程，重点关注爆炸对危险区域和结构的破坏作用。研究结果表明，泄漏孔后方的氢气云浓度较高，而爆炸超压则主要受点火位置和延迟时间的影响。

尽管实验研究为氢气爆炸提供了重要的数据支持，但由于实验的高风险性和高成本，研究者们越来越多地采用数值模拟来分析氢气爆炸的动力学行为。Ma等人利用CHEMKIN软件对封闭空间中的氢气爆炸进行了定量评估，考虑了多种初始条件。其他研究者如Holborn等人和Hansen等人则使用FLACS软件模拟了液态氢气泄漏和爆炸场景。通过将模拟结果与实验数据进行对比，他们验证了FLACS模拟的准确性，并提出了模型优化的建议。Jiang等人和Wang等人研究了障碍物位置和形状对氢气火焰发展和爆炸特性的影响，发现这些障碍物会诱导湍流，从而加速火焰传播。Yang等人建立了氢气加氢站的三维全尺寸模型，研究了在不同点火位置下非均匀可燃氢气云的爆炸行为。此外，基于CFD的研究也评估了多种因素对氢气爆炸严重程度的影响，包括爆炸场景布局、通风条件、泄漏方向、泄漏压力、点火位置、防护墙等。

综上所述，尽管CFD在研究氢气泄漏和扩散方面表现出色，但其在模拟爆炸冲击波对结构影响方面的应用仍存在局限。以往的研究主要集中在爆炸过程和冲击载荷的模拟上，而较少关注结构的动态响应和破坏机制。爆炸冲击波与结构之间的复杂流固耦合（FSI）效应使得模拟结构动态响应面临巨大挑战。大多数研究者采用预先计算的冲击波峰值载荷施加在结构上，或者使用简化的TNT当量方法，这些方法未能准确捕捉氢气云爆炸（VCE）的超压特性，尤其是在结构位于或接近气体云区域时，导致难以准确分析结构行为和破坏。

为了解决这些问题，近年来提出了耦合CFD和有限元分析（FEA）的方法，并在流固耦合问题中显示出有效性。例如，研究者们利用NLFlex代码（用于FEA）与VCFD代码（用于CFD）进行耦合分析，以更精确地模拟爆炸对结构的影响。然而，这类软件既不是开源也不是商业可用，严重限制了其应用范围。此外，该领域仍存在诸多挑战，包括爆炸载荷的强非线性、数据传输的复杂性以及材料本构模型对应变率效应的处理。

因此，本文旨在系统研究海上制氢平台在氢气泄漏和爆炸事故后的结构动态行为。建立了海上制氢平台的数值模拟模型，并采用CFD-FEA耦合分析框架进行氢气泄漏、爆炸和结构动态响应的模拟。分析了氢气泄漏的传播模式和爆炸超压的分布特征。随后，探究了爆炸过程中关键设备的结构行为，以及点火位置、氢气浓度和通风条件对爆炸后果的影响。本研究提供了对氢气生产平台设备动态响应和破坏演化过程的深入理解，从而提高这些平台在爆炸事故中的安全控制能力。