用于预测液氢储罐爆炸后压力波的数值模型

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical model for pressure wave prediction of liquid hydrogen BLEVE

氢能安全与爆炸波预测模型研究。氢能零排放特性使其在储能运输中具有潜力，但BLEVE事故风险突出。本研究开发新型CFD模型，首次完整复现液氢BLEVE过压时序曲线，误差率低于3%。模型整合化学 detonation与物理膨胀效应，验证显示在22.5米处峰值过压12.9kPa，与实验值误差仅3%；26.4米处9.8kPa，误差1%。创新点包括：1）建立四阶段BLEVE动力学模型 2）提出等效伪源体积计算方法 3）实现化学能量与物理能量的协同作用分析。

　　氢作为一种零排放的能源载体，近年来因其在大规模存储和运输中的巨大潜力而受到越来越多的关注。其高能量密度和燃烧后仅产生水的特性，使其成为符合联合国可持续发展目标的理想能源。氢不仅可以用作燃烧燃料，还可以作为化学转化的能源，同时还能用于缓解可再生能源的间歇性问题。此外，氢还能够促进能源独立和抵御供应中断，因为其可以通过本地可再生资源（如太阳能和风能）直接电解水制取。尽管氢具有诸多优势，但其在爆炸风险方面也表现出较高的危险性，这使得氢的安全性研究成为重要课题。

氢的爆炸风险主要来源于其易燃、易扩散、低最小点火能量以及在特定条件下可能引发氢脆现象等特性。这些特点不仅对人员安全构成威胁，还可能对周围的设施和建筑造成严重损害。因此，为了更全面地评估氢的爆炸风险，科学家们致力于开发更精确的模型，以模拟氢爆炸过程中产生的冲击波和压力变化。其中，液氢（LH2）的沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE）是研究的重点，因为其在高温系统故障时，可能造成更为严重的后果。

为了准确预测液氢BLEVE所引发的冲击波，研究人员提出了一个新的计算流体力学（CFD）模型，该模型整合了物理爆炸和化学爆轰效应，成功地再现了实验观测到的过压-时间曲线。这一成果不仅验证了模型的可靠性，还为氢的安全评估提供了更全面的依据。此外，该模型还对化学和物理能量的贡献进行了量化分析，并对不同因素进行了敏感性研究，从而提升了对氢爆炸过程的理解。

液氢在双壁真空绝热容器中被储存于约?250°C的低温环境中，这使其在运输和存储中具有更高的密度和效率。然而，当容器因外部因素（如火灾）发生破裂时，液氢会迅速汽化并产生高压蒸汽，导致剧烈的冲击波、火球和飞溅物。这种现象与气态氢的蒸汽云爆炸（VCE）不同，BLEVE的过压上升速度更快，且其上升过程几乎瞬间完成，而压力下降则相对较慢。这一特性使得BLEVE在爆炸过程中具有更高的破坏力，特别是在近场区域。

在过去的几十年中，对BLEVE的研究主要集中在含碳化合物，如液化石油气（LPG）和丙烷等。这些研究为理解BLEVE的动态特性和风险提供了重要的基础。然而，关于液氢BLEVE的研究相对较少，且实验数据也较为有限。现有的研究主要关注于峰值过压的预测，而忽略了过压上升速率和冲击波等关键参数。因此，开发一个能够准确模拟液氢BLEVE全过程的模型显得尤为重要。

为了弥补这一不足，本研究提出了一种新的模型，该模型不仅考虑了物理爆炸，还纳入了化学爆轰效应，从而能够更全面地模拟过压-时间历史。通过对Wingerden等人的实验数据进行验证，该模型在模拟结果与实验观测之间达到了高度一致，其峰值过压误差小于3%，冲击波误差小于6%。这表明该模型在评估液氢BLEVE的安全性方面具有较高的准确性。

本研究还对液氢BLEVE的四个阶段进行了详细分析。第一阶段是液氢在容器内部因温度上升而开始汽化，导致压力逐渐增加。在这一阶段，容器壁上可能出现微小的裂口，释放出高压氢气，随后迅速点燃并形成类似喷射火焰的现象。第二阶段是容器破裂扩大，导致大量液氢汽化并引发爆轰，形成迅速上升的过压波。第三阶段则是容器完全破裂，高压气体迅速释放，产生冲击波。第四阶段是剩余氢气与空气混合并燃烧，形成逐渐减弱的火球。在这一过程中，爆轰现象起到了主导作用，特别是在远场区域，其对峰值过压的贡献显著。

通过对现有模型的比较，研究发现，仅考虑物理爆炸的模型无法准确再现液氢BLEVE的过压-时间曲线，特别是在压力恢复阶段。而纯化学爆轰模型虽然能够较好地模拟过压的上升和峰值，却无法准确再现远场区域的压力变化。相比之下，本研究提出的模型通过结合物理爆炸和化学爆轰效应，成功地模拟了液氢BLEVE的全过程，包括过压的上升速率、峰值和冲击波等关键参数。这一模型的提出，不仅提升了对液氢BLEVE现象的理解，也为相关安全评估提供了更可靠的工具。

研究还对液氢BLEVE中化学能和物理能的贡献进行了分析。结果表明，化学能对液氢BLEVE的过压影响更为显著，尤其是在远场区域。物理能的贡献相对较小，但在近场区域，由于其较高的能量密度，可能对过压的形成起到一定的辅助作用。这一发现进一步验证了模型的准确性，并强调了化学爆轰在液氢BLEVE过程中的主导地位。

此外，研究还对不同条件下的液氢BLEVE进行了敏感性分析，发现如果使用设计压力或操作状态来代替实际破裂压力，可能会导致过压预测的显著偏差。因此，准确的初始条件对于评估液氢BLEVE的后果至关重要。本研究通过实验数据和模拟结果的对比，揭示了在实际应用中需要考虑的多种因素，包括温度、压力、容器设计以及破裂过程等。

最后，研究总结指出，液氢BLEVE是一个复杂的过程，其对周围环境的影响远比其他物质更为显著。开发一种能够准确模拟其全过程的模型，不仅有助于提升氢能源的安全性，也为氢的广泛应用提供了科学依据。通过结合物理爆炸和化学爆轰效应，本研究提出的CFD模型为液氢BLEVE的预测和评估提供了新的方法，进一步推动了氢能源的可持续发展。