高压氢容器爆炸TNT当量估算的综合实验-计算方法研究

为解决氢能源基础设施中高压储氢容器爆炸风险量化难题，韩国能源技术评价计划(KETEP)支持的研究团队通过IV型氢容器(175 L, 70 MPa)爆破实验与TNT对比试验，结合计算流体力学(CFD)模拟，首次提出爆炸能量法(η=4.6%)与机械-化学能量法(α=1.8, β=0.08)两种TNT当量估算方法，为氢燃料加注站防爆结构设计提供关键参数依据。

　　

在全球能源转型浪潮中，氢能因其零碳特性成为炙手可热的清洁能源载体。然而，高压储氢容器犹如"沉睡的巨人"——当70MPa的工作压力遭遇意外破裂时，其爆炸威力足以摧毁方圆数百米的建筑。更棘手的是，城市氢燃料加注站往往毗邻居民区，现行安全规范却仍沿用基于储罐体积的固定安全距离标准，这种"一刀切"的监管方式显然无法应对复杂场景。韩国研究人员通过实验发现，IV型复合储氢罐爆炸产生的冲击波超压(P_s
)分布规律与传统TNT炸药存在显著差异，这直接关系到防爆墙的设计参数。

为破解这一难题，韩国能源技术评价计划(KETEP)资助的研究团队开展了一项开创性研究。他们采用"实验+模拟"的双轨策略：首先在开放场地进行IV型氢容器(175L, 70MPa)的受热爆破实验，同步开展TNT对比试验获取距离-超压曲线；随后运用ViperBlast软件建立CFD模型，通过逆向校准确定TNT当量值。研究首次量化了两种实用估算方法的效率参数——爆炸能量法中的η值低至4.6%，揭示仅有少量化学能转化为机械能；而机械-化学能量法则通过α=1.8和β=0.08的系数组合，更精准地反映了高压氢气特有的能量释放特征。

压力基估算方法验证
通过对比氢容器爆破与9.53kg TNT产生的超压曲线，发现两者在10-30米范围内的P_s
偏差小于15%，证实TNT等效模型在工程应用中的可行性。

CFD模拟关键技术
采用Eulerian-Lagrangian耦合算法模拟冲击波传播，特别考虑了容器破裂时的动态裂纹扩展能量耗散，使模拟结果与实验数据的相关系数达到0.92。

效率因子标定
针对721L/100MPa的商业储罐推算显示，机械-化学能量法的预测结果比传统能量法保守30%，这对安全冗余设计具有重要指导价值。

该研究突破性地建立了高压氢爆炸的量化评估框架，其创新点在于：首次通过全尺寸实验验证了PVB场景下TNT等效模型的适用边界；提出的双系数能量法为不同数据完备程度的工程场景提供了灵活解决方案。这些成果已直接应用于韩国氢燃料加注站防爆墙的优化设计，将原12cm混凝土墙的防护距离缩短了40%，显著提升了城市用地效率。正如论文通讯作者Sangwoo Park指出："这项研究架起了氢能安全从定性防护到定量设计的桥梁，为制定基于性能的爆炸防护标准提供了科学依据。"

研究同时揭示了现有方法的局限性——当储罐工作压力超过100MPa时，能量转换效率的非线性特征加剧，这提示未来需要开发考虑相变效应的新型等效模型。随着氢能基础设施向超高压方向发展，这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究成果将持续为行业安全设计提供关键技术支持。