燃料电池机车隧道高压氢气泄漏扩散的大涡模拟与安全临界速度研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical simulation of high-pressure hydrogen leakage and dispersion in tunnel environments for fuel cell locomotives

本文采用大涡模拟（LES）方法，系统研究了隧道环境中燃料电池机车高压氢气泄漏的时空扩散特性。研究揭示了泄漏方向、泄漏孔径和列车速度对氢气浓度分布的影响机制，首次提出40 km/h的临界安全速度可通过增强活塞效应有效防止车顶受限空间氢气积聚（体积分数>0.04），为氢能轨道交通风险防控提供了关键理论依据。

　　

^{几何构型、流动条件与网格策略}

为控制计算成本，省略了转向架等底盘细节。燃料电池列车模型长22.26米、高3.7米、宽3.1米，离地间隙0.898米（图1）。5个氢罐纵向排列于车顶，泄漏点设定为中罐端面。每个罐体为长0.6H、半径0.11H的圆柱体（H为车高）。

^{气体状态方程效应}

为评估状态方程（EOS）对监测物理量的影响，本研究对比了四种真实气体EOS与理想气体EOS的结果（图5）。曲线对应：理想气体EOS（黑色）、Peng–Robinson（红色）、Redlich–Kwong（蓝色）、Soave–Redlich–Kwong（绿色）和van der Waals（紫色）。对比表明，四种真实气体EOS结果高度一致，而理想气体EOS在近场区域呈现显著偏差——特别是在马赫盘位置出现异常压力峰值，且射流核心区浓度衰减速率更快。这证实真实气体EOS对高压氢气射流模拟的必要性。

^结论

本文采用LES模拟了隧道环境中列车氢罐高压意外泄漏时氢气浓度的时空分布特征，重点分析了泄漏方向、泄漏孔径和列车速度对高压氢气扩散的影响机制。主要结论如下：

1. 1.
   泄漏初期危险范围快速扩大
2. 2.
   泄漏方向显著影响氢气云形态：水平泄漏易形成车顶受限空间积聚，垂直向上泄漏则促进纵向扩散
3. 3.
   泄漏孔径与危险体积呈正相关，但大孔径泄漏因增强湍流混合反而加速浓度衰减
4. 4.
   列车速度是控制风险的关键因素：低于40 km/h时车顶间隙易形成爆炸性混合物（体积分数>0.04），而高于此临界速度可通过活塞效应实现有效通风

^{作者贡献声明}

陈广：综述撰写/原稿撰写/可视化/验证/资源/方法/调查/形式分析/数据整理/概念化；周淑佳：原稿撰写/调查/形式分析/概念化；陈波：验证/调查；薛如岱：验证/调查；杨颖：调查/概念化；孙双成：原稿撰写/资源/调查/形式分析。

^{利益冲突声明}

作者声明不存在可能影响本研究的财务利益或个人关系。

^致谢

本研究获湖南省科技创新计划（2023RC3247）、国铁集团科研项目（N2022J016-C）、国家自然科学基金（52406211）及铁路行业新能源系统工程研究中心开放课题（05-22-46-007-0）资助。