高压氢气泄漏自燃特性的数值模拟研究：35~140 MPa释放压力下的机理与火焰演化分析

针对高压氢气(35~140 MPa)直接泄漏至空气中的自燃风险，研究人员通过数值模拟系统研究了释放压力、孔径及孔厚对自燃特性的影响。发现点火延迟时间随压力升高从0.71 μs缩短至0.36 μs，首次揭示孔边界为自燃初始位置，并阐明激波加热与预混条件的关键作用，为氢能安全存储提供理论支撑。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其高压存储与运输的安全性一直是制约大规模应用的瓶颈。当储罐压力高达35~140 MPa时，氢气泄漏可能引发自燃现象，这种涉及复杂流体力学与化学反应耦合的过程，其机理尚未完全阐明。此前研究多聚焦30 MPa以下的释放压力，而实际氢燃料电池车(70 MPa)和微型储氢球罐(140 MPa)的工作压力远超此范围。更棘手的是，现有实验难以捕捉微秒级的瞬态自燃过程，且孔结构参数(如厚度、直径)对火焰发展的影响缺乏系统研究。

中国国家电网公司资助的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表论文，首次建立了涵盖35~140 MPa全工况的数值模型。他们采用自开发的sponigFoam求解器，求解包含多组分反应的Navier-Stokes方程，通过15 μm级高分辨率网格捕捉激波与火焰前沿的相互作用。研究创新性地将氢罐孔结构参数纳入分析框架，揭示了孔边界作为自燃起始点的物理机制。

关键技术包括：1) 基于实验数据验证的CFD模型(对比Duan等2016年5.37 MPa实验)；2) 网格独立性验证(20 μm网格平衡精度与效率)；3) 多参数耦合分析(压力/孔径/孔厚三维度)；4) 瞬态物种追踪(Y(OH)等自由基演化)。

主要结果

1. 压力效应：35 MPa至140 MPa范围内，点火延迟时间从0.71 μs缩短至0.36 μs，呈现负相关。高压下激波加热空气温度显著提升，促进H₂-O₂链式反应启动。
2. 空间特征：自燃始发于孔边界剪切层，此处同时满足高温(激波加热)与当量比(Φ≈1)条件，OH自由基浓度骤增标志反应开始。
3. 结构影响：孔径扩大加速火焰横向传播，而孔厚增加会延长激波反射路径，形成更复杂的马赫盘结构(Mach disk)。
4. 临界条件：提出"双阈值"机制——激波温度需超过氢自燃点(858 K)，且预混区体积需达临界尺寸(与孔径正相关)。

讨论与意义
该研究首次绘制了超高压(>30 MPa)氢气自燃的完整图谱，证实传统钢瓶与新型微球储罐(140 MPa)的泄漏风险差异。发现孔结构参数的"双刃剑"效应：较厚孔壁虽延缓火焰，但可能增强下游湍流燃烧。这些结论为储氢容器安全设计提供量化依据，如优化泄压孔几何形状以抑制自燃。国家电网的工程支持也凸显研究成果在电-氢耦合系统中的直接应用价值，填补了高压氢基础设施安全评估的技术空白。

未来研究可结合LES(大涡模拟)捕捉湍流-火焰相互作用，并拓展至T型管等复杂管路场景。正如作者指出，该数值框架为氢能全产业链(生产-储运-加注)的安全标准制定奠定了方法论基础。