基于OpenFOAM的研究：高喷嘴压力比氢气射流从泄漏口喷出后的近场形成与混合现象

《Green Energy and Resources》：OpenFOAM-based study on near-field formation and mixing of high nozzle pressure ratio hydrogen jets from leakages

氢气在10 bar和100 bar高压下通过1.5 mm圆形喷嘴泄漏时，形成复杂激波结构和氢气-空气混合物的瞬态特性被数值模拟研究。使用改进的OpenFOAM求解器，发现起始涡旋在喷嘴近场区形成大量可燃混合氢口袋（体积分数4%-75%），这些混合物在喷嘴近场区长时间滞留，导致难以被现有远场数值模型（如二维简化或忽略激波模型）准确预测。模拟显示NPR=100时混合氢区域更广，但温度峰值（34.49-369.24 K）未达到氢气自燃温度阈值（约673 K）。研究证实三维高分辨率网格（D/40）可有效捕捉近场激波和混合特性，为高压储氢安全评估提供新工具。

　　
该研究聚焦于高压氢气泄漏后近场区域的流动特性与氢气混合行为分析，通过改进开源CFD软件OpenFOAM实现了对激波结构和混合过程的高精度数值模拟。研究采用1.5毫米直径圆形喷嘴，对比了储氢压力分别为10 bar和100 bar的泄漏场景，揭示了不同压力比下氢气射流的发展规律及其潜在燃烧风险。

在数值方法方面，研究团队对密度中心型求解器rhoCentralFoam进行了关键改造：首先移植了rhoReactingFoam中处理物种传输和反应的模块，使求解器具备气相混合建模能力；其次采用三维非对称网格划分技术，在喷嘴近场区域设置D/40的高密度网格（喷嘴直径D的40分之一），确保能捕捉到激波结构和起始涡旋的精细特征。这种网格设计在保证激波分辨率的同时，将计算规模控制在830万网格单元，在保证计算精度的前提下显著降低了计算成本。

通过对比不同网格分辨率（D/40、D/30、D/20）的模拟结果，验证了当前网格设置的有效性。数值 schlieren成像显示，在NPR=10时形成了典型的激波链结构，包含多个斜激波和马赫锥，这与实验观测到的氢气射流扩张特征一致。而NPR=100时，虽然激波链未完全形成，但起始涡旋引发的混合区域扩展至喷嘴外缘，最大混合区域直径达到喷嘴直径的1.8倍。

温度场分析表明，高压泄漏场景（NPR=100）的近场温度峰值（369.24 K）显著低于低压场景（324.28 K），但均高于氢气沸点（20.37 K）。值得注意的是，起始涡旋区域内的混合氢气浓度达到4%-10%（质量比），处于氢气-空气混合物的爆炸极限范围内（4%-75%体积比）。这种混合状态在近场区域持续了超过500微秒，远超射流核心区域的传播速度。

研究创新性地发现，当NPR超过30时，传统二维简化模型与三维精确模拟的预测结果偏差可达40%以上。特别是在NPR=100时，数值模拟捕捉到了起始涡旋分离形成的氢气富集区，其轴向延伸长度达到喷嘴出口直径的3倍，而传统喷嘴简化模型对此类近场混合结构的预测误差超过60%。这种差异源于三维流动中复杂的涡旋-激波相互作用，导致混合区域呈现非对称分布特征。

在工程应用层面，研究构建的OpenFOAM求解器为高压储氢设施安全评估提供了新工具。通过将化学动力学模型（ó Conaire等，2004）与现有混合模拟模块集成，未来可扩展燃烧模型分析。特别值得注意的是，起始涡旋引发的混合区在高压场景下具有更长的持续时间（约200微秒）和更大的空间扩展性（半径达1.2倍喷嘴直径），这对储氢容器壁面防护设计具有重要参考价值。

数值实验揭示了高压氢气泄漏的三个关键阶段：初始扩张阶段（0-300微秒）形成非对称混合区；过渡阶段（300-1000微秒）混合区与激波结构相互作用导致氢气浓度波动；稳定扩散阶段（>1000微秒）受浮力作用混合区逐渐破碎。这种阶段特性在NPR=100时尤为显著，其混合区持续时间比NPR=10场景延长约3倍。

研究还对比了不同湍流模型的影响，发现Smagorinsky模型在捕捉近场混合结构方面具有最佳平衡性。通过设置壁面摩擦系数（Y+<100）和合理的时间步长（CFL=0.6），成功避免了边界层处理带来的误差放大。特别在喷嘴喉部区域，数值模拟显示氢气与空气的体积混合比在0.5%-2.3%之间波动，这与实验观测的氢气逃逸浓度范围一致。

该工作为高压氢能储运安全评估提供了新的数值工具和方法论基础。其建立的D/40网格标准（喷嘴直径40倍网格）被推荐为近场混合结构研究的基准网格配置。研究团队计划在后续工作中引入自动点火模型，重点分析起始涡旋区域氢气浓度波动与点火阈值的关系，以及不同储氢压力下混合区的演变规律。这些成果将显著提升氢能储运设施的安全设计水平，为行业标准的制定提供理论支撑。