氢燃料加注站爆炸场景分析：基于实验与CFD模拟的防护墙后冲击波压力缓解研究

为解决城市氢燃料加注站（HRS）因氢气泄漏引发爆炸的安全隐患，韩国研究人员通过压力容器爆破实验（PVB）和计算流体动力学（CFD）模拟，评估了单/双防护墙对冲击波压力的衰减效果。研究发现，双墙结构可将30米内超压峰值控制在30 kPa以下，显著提升近场与远场防护能力，为人口密集区氢能设施安全设计提供了关键参数优化依据。

　　

在全球加速向可再生能源转型的背景下，氢能因其零碳排放特性成为交通和工业领域脱碳的核心选项。然而，氢气4%-75%的宽泛可燃范围与极低点火能量，使得城市氢燃料加注站（HRS）的安全问题尤为突出。韩国曾发生氢储罐爆炸事件，碎片波及数百米，凸显防护措施的紧迫性。尽管现有HRS采用泄漏检测和混凝土防护墙等策略，但传统单墙结构对远场冲击波的衰减效果有限，且过高墙体易因爆炸力矩倾覆。如何平衡防护效能与结构稳定性，成为氢能城市化的关键瓶颈。

为此，韩国东国大学联合陆军工程学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过7.15 kg氢罐爆破实验与51 kg TNT当量（基于韩国实际储罐容量）的CFD模拟，系统评估防护墙参数对冲击波的影响。研究采用一维径向对称模型优化计算效率，并通过三维模型验证实验数据，确保模拟精度。

爆炸实验测试设置
团队首先通过压力容器爆破（PVB）实验捕捉近场冲击波特性，确认单墙对5米内超压的显著衰减作用，但20米外压力仍超出30 kPa安全阈值。实验数据为后续CFD模型提供了验证基准。

数值模型开发与验证
基于TNT当量法建立CFD模型，模拟显示单墙后冲击波通过绕射和反射形成复杂压力场。与实验数据对比误差<15%，验证了模型可靠性。

单墙配置参数化研究
分析15种工况发现：增加墙高至4米可使10米处超压降低58%，但超过4米后效益递减；而将墙体距离爆心从5米增至15米，可使后方压力下降37%。

双墙配置优化分析
双墙间距3米时形成协同效应：第二墙将30米处超压从单墙的42 kPa降至28 kPa，首次实现全程安全覆盖。模拟显示双墙通过二次波干涉破坏冲击波相干性，提升衰减效率。

结论与意义
该研究首次量化了双墙配置对HRS爆炸风险的全局控制效果：在保持墙体结构稳定性的前提下，双墙系统使30米半径内超压始终低于30 kPa（耳膜损伤阈值），较单墙方案保护范围扩大200%。这一成果为韩国KGS等机构修订HRS安全标准提供了直接依据，解决了城市化与氢能推广的核心矛盾。团队特别指出，墙体间距与爆心距离的黄金比例（1:5）可最大化防护效益，未来需结合材料力学优化墙体抗爆性能。

研究通过多尺度模拟与实证的结合，为智能城市氢能基建的安全设计树立了新范式，其方法论亦可拓展至液化天然气（LNG）站等高风险能源设施。随着中日韩等国加速建设氢能社会，此类工程优化研究将成为平衡技术创新与公共安全的关键支点。