气体屏障对低温氢蒸气云扩散影响的数值模拟研究及其安全应用价值

针对液氢泄漏事故中易燃蒸气云的安全防控难题，中国科学院合肥物质科学研究院（HFIPS）团队创新性提出气体屏障防护方法。通过混合多相流模型与realizable k-ε湍流模型模拟发现，上风向气体屏障可使蒸气云抬升距离从24.3m缩短至16.9m，显著促进氢-空气混合并提升浮力效应，为移动式液氢设施安全防护提供新思路。

　　

随着氢能产业的快速发展，液氢因其体积能量密度优势成为大规模储运的首选方案。然而这种-253℃的低温燃料一旦泄漏，会迅速形成4%-75%浓度范围的易燃蒸气云，其0.02mJ的极低点火阈值更令事故风险倍增。NASA早年的实验证明传统实体围堤可能延长地面可燃云滞留时间，而移动式液氢设备又无法采用固定围挡——这一安全困境亟待创新解决方案。

中国科学院合肥物质科学研究院（HFIPS）的刘远亮团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究中，首次系统评估了气体屏障对液氢泄漏蒸气云的调控作用。研究采用混合多相模型（Mixture multiphase model）耦合realizable k-ε湍流模型，通过计算流体力学方法揭示了氮气/空气屏障对蒸气云动力学行为的调控机制。

关键技术方面，团队建立了包含相变传热的三维数值模型，重点分析上风向、下风向和侧向三种气体屏障布局的防护效能。通过对比24.3m基准工况的云团抬升距离，发现上风向气体屏障能产生16.9m的最佳抑制效果。研究还考察了屏障流速（0.5-2.0m/s）和环境风速（1-4m/s）等参数敏感性，证实该方法在典型泄漏速率（0.5-2.0kg/s）下具有普适性。

【Results and discussion】部分的核心发现包括：

1. 布局优化：上风向气体屏障通过增强空气卷吸使氢云浮力提升38%，而侧向屏障仅能改变云团形态。
2. 动力学机制：屏障产生的剪切湍流加速了氢-空气混合，使可燃云稀释至爆炸下限（LEL）以下的时间缩短25%。
3. 参数效应：当屏障流速从1m/s增至2m/s时，云团垂直扩散速率提高1.7倍，但环境风速超过3m/s时防护效能下降。

【Conclusions】指出该主动防护策略突破传统实体围堤的局限：既避免可燃云地面滞留风险，又适用于移动设备。研究为液氢加注站、运输槽车等场景提供可调控的安全方案，其揭示的"湍流增强-浮力调控"机理对其它低温燃料泄漏防护也有借鉴价值。值得注意的是，团队发现气体屏障对泄漏速率变化不敏感，这为工程应用中的参数设计提供了重要依据。