基于湍流燃烧模型的泄爆压力对氢气爆炸影响的数值模拟研究

针对氢气爆炸安全防护难题，研究人员采用CFD代码GASFLOW-MPI，系统研究了泄爆压力(Pv)和点火位置对泄压氢气爆炸的影响。通过量化氢氧消耗量、能量释放及热传递机制，揭示了内外超压峰值形成规律，为工业防爆设计提供了重要理论支撑。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，氢能因其高热值、零碳排放特性成为理想能源载体。然而氢气极宽的燃烧范围(4-75%)和低最小点火能(0.02 mJ)使其在储运过程中易引发爆炸事故。泄压技术作为经济有效的防爆手段，其核心参数泄爆压力(P_v)的调控机制尚未明确。现有研究多局限于实验观测，对爆炸动力学中能量转换、组分迁移等微观机制缺乏量化分析。

针对这一科学问题，由卡尔斯鲁厄理工学院领衔的国际团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表最新研究。该工作采用计算流体力学(CFD)软件GASFLOW-MPI，通过隐式连续欧拉-任意拉格朗日欧拉(ICE-ALE)算法求解三维瞬态可压缩Navier-Stokes方程，结合湍流燃烧模型，系统模拟了不同泄爆压力(25.6-93.4 kPa)和点火位置(中心/后端)条件下的氢气爆炸过程。研究团队基于Rui等(2020)的1:1实验装置建立几何模型，通过对比内外超压时程曲线验证模型可靠性，并量化分析了能量释放、组分变化等关键参数。

数值方法验证
通过对比中心点火工况下的实验数据，发现模拟结果能准确捕捉泄爆破裂、亥姆霍兹振荡等特征压力峰。特别在外部超压曲线中，预测值与实测值的相关系数达0.93，证实模型对湍流-火焰相互作用机制的精确描述能力。

流场机制解析
研究发现：1) 中心点火时，内部超压峰值主要源于燃烧产物喷射引发的压缩波叠加；2) 后端点火工况下，未燃混合物的加速排放导致外部爆炸强度提升40%；3) 泄爆压力每增加10 kPa，内部最大超压线性增长1.2倍，但外部超压仅在前后点火时呈现正相关性。

能量与组分量化
通过物质平衡计算发现：1) 泄爆延迟导致15-22%的氢气在容器外燃烧；2) 对流热损失占总释放能量的18-25%，辐射热通量峰值达85 kW/m²；3) 湍流强度在泄爆后骤增至初始值的7倍，显著促进火焰褶皱发展。

结论与意义
该研究首次通过数值模拟阐明了泄爆压力影响氢气爆炸的多尺度机制：1) 构建了P_v与内外超压的定量关系模型；2) 揭示了热扩散不稳定性(Thermal-diffusive instability)与流体力学不稳定性(Hydrodynamic instability)的协同作用规律；3) 开发的GASFLOW-MPI模拟框架为泄爆装置优化设计提供了新工具。研究结果对氢能设施安全标准的制定具有重要指导价值，特别在燃料电池汽车储氢系统防爆领域展现出应用潜力。作者团队特别指出，后续需结合更大尺度实验验证模型普适性，并进一步研究障碍物对泄爆效率的影响机制。