隧道内氢能巴士泄漏的氢扩散动力学与浓度分布预测模型研究

本文针对氢能巴士在隧道场景下的高压氢气泄漏问题，通过数值模拟研究了泄漏直径、储氢压力及泄漏点顶棚距离对氢气扩散行为与浓度分布的影响。研究发现氢气传播前锋随时间呈线性增长，并建立了基于弗劳德数（Froude number）的归一化浓度预测模型，为隧道氢安全风险评估与应急通风设计提供了重要理论依据。

　　

研究亮点

隧道是氢能应用的重要场景，但氢能巴士车载高压储氢系统一旦发生意外泄漏，可能引发火灾爆炸事故。尽管已有大量隧道内氢气泄漏研究，但至今缺乏针对扩散行为与浓度分布特征的预测模型。

数值设置

计算域隧道长120米、宽6.46米，高度范围5.5-9.0米。氢能巴士简化为14×2×3米3矩形结构，轮胎支撑使其高于地面0.4米。泄漏口位于车顶中心，距隧道地面3.4米。通过改变隧道高度实现泄漏点至顶棚距离（H_c）在2.1-5.6米间变化。

隧道内氢气扩散特性

图3展示了隧道纵向氢气泄漏历程（右半侧扩散过程）。根据ISO/TR 15916:2015安全标准，当空气中氢浓度达0.4%时应自动启动事故风机。为安全起见，本研究将警戒浓度阈值降至0.1%（0.001 mol分数），以此界定可燃氢气云传播前锋。

结论

通过不同泄漏直径、储压及顶棚距离的数值研究，发现：1）氢气传播前锋随时间线性增长，其位置随泄漏直径、储压增大而增加，随顶棚距离减小而扩大；2）纵横向氢气浓度随距离增加呈指数衰减；3）基于弗劳德数与顶棚距离的归一化模型可有效表征浓度分布规律。