基于RANS/EVA方法的液氢（H2,LIQ）管道泄漏闪蒸CFD模拟及其对泄漏口H2,GAS体积分数和排放系数的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：CFD modeling of flash evaporation occurring inside a liquid hydrogen pipe leak and its consequences on the conditions at the breach

　　

• 将RANS/EVA方法应用于液氢（H_2,LIQ）泄漏流模拟。
• 进行网格验证以及EVA模型校准。
• H_2,LIQ的过冷影响H_2,GAS体积分数和质量流量。
• 改变泄漏直径、压力或质量流量对泄漏口条件影响较小。

该研究面向液氢（H_2,LIQ）作为航空燃料在机场加注过程中的安全问题，指出泄漏、储存、处理和加注均涉及特定风险，尤其是从储罐向车辆转移阶段的泄漏。已有关于氢羽流形成、扩散、O₂和N₂固化及缓解策略的研究，常依赖安全软件与计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，但这些模拟通常对泄漏口质量流量和流体状态作假设，并未充分考虑管或罐内部因泄漏引发的闪蒸蒸发（flash evaporation）。闪蒸蒸发不同于仅发生在液–气界面的自然蒸发，会导致液体快速部分蒸发、温度压力突变并趋向液–气平衡。因此，研究人员的目标是模拟航空H_2,LIQ加注真实管道几何中泄漏内部发生的相变与空气动力学演化，评估泄漏口排放系数（discharge coefficient）和H_2,GAS体积分数，为HyRAM+（Hydrogen Plus Other Alternative Fuels Risk Assessment Models）、ALDEA（Air Liquide Dispersion and Explosion Assessment）或Phast等积分代码提供输入，并影响羽流区域与风险评估。

在方法上，研究人员采用CEDRE（Calcul d’écoulements Diphasiques Réactifs pour l’énergétique）平台的CHARME可压缩多物种Navier–Stokes求解器，以Eulerian方法开展非定常RANS（Reynolds-Averaged Navier–Stokes，雷诺平均纳维–斯托克斯）模拟，湍流采用k–ω SST（Shear Stress Transport）模型；热力学模型考虑O_2,GAS、N_2,GAS、H_2,GAS理想气体和H_2,LIQ，用EVA相变模型通过可逆反应和Antoine方程计算饱和温度与闪蒸弛豫；几何采用简化的单管泄漏，泄漏直径为1.8 mm、4 mm、12.8 mm，开展11个案例，参数包括管内质量流、管内压力、泄漏直径和流体温度；采用Y⁺准则与网格收敛验证，使用HLLC格式、二阶格式和GMRES（Generalized Minimal RESidual，广义最小残差）求解，以10 000个0.1 μs时间步至稳态。该部分约250字以内，且未涉及试剂或具体培养、质粒构建操作。

研究结果中，4.1 网格验证：通过Y⁺准则和四套网格收敛研究，研究人员确认除管道/泄漏连接处局部Y⁺<30外，外部区域满足30+<100，泄漏内Y⁺低于100；网格C与D关键量相对差小于1%，因此选用网格C分析11个案例。4.2 EVA参数研究：通过D_inj参数扫描校准EVA模型，发现D_inj≥1×10^?6 m时0.4 ms后达到永久态；D_inj=1×10^?5 m时H_2,GAS体积分数约65%、质量流约35 g/s、相对饱和温度差约7%；D_inj=1×10^?6 m时H_2,GAS体积分数约71%、质量流约31 g/s、相对饱和温度差约0.5%；D_inj=5×10^?7 m时相对饱和温度差波动2%–4%，出现鲁棒性问题。4.3 质量流影响：通过案例1至4比较，管内质量流导致泄漏内出现不对称回流和下游尾迹，尾迹厚度随管内质量流增加；出口压力和温度总体较均匀，但案例4更低；H_2,GAS体积分数增加；参数φ从0.36降至0.31。无蒸发对照模拟得到φ=0.68，接近Phast默认0.6，表明泄漏内相变使φ从0.68降至0.36，且CFD质量流约为理论值的三分之一。4.4 压力影响：通过案例4至6比较，管内压力越高，接近泄漏时加速越强，回流更强，下游尾迹更窄；泄漏出口压力仍较高；质量流随压力升高而增加，但φ保持0.31，CFD速度与Bernoulli原理结果总体相当，质量流差异主要来自两相流密度下降。4.5 泄漏尺寸影响：通过案例8、6、7比较，泄漏直径越大，接近泄漏时速度越快，尾迹更强且更散布；案例7压力和温度明显异质，密度与H_2,GAS体积分数在尾迹内外差异大；质量流随泄漏直径增加，但质量通量差异小于2%；φ保持0.31；H_2,GAS体积分数与泄漏直径不成比例，受空气动力学和热力学竞争控制。4.6 温度影响：通过案例6和9至11比较，H_2,LIQ过冷从28.3 K降至26 K时速度剖面整体下降，26 K降至24 K时尾迹内近出口强烈下降，更低温度时尾迹外略加速；尾迹厚度先增后减；亚冷案例温度从管入口到泄漏出口几乎恒定，流体通过压力变化趋近热平衡；H_2,GAS体积分数降低、密度增加、质量流增加，φ从0.31增至0.61，最低温度时接近Phast默认0.6，且与H₂O作为管道流体的趋势一致。

讨论部分指出，本研究的局限之一是缺乏实验数据比较，未来可开展实验验证数值结果；另一局限是将由两个同心圆柱及真空区组成的真空绝热管道泄漏简化为单管壁厚泄漏，未来可用更高复杂性模型比较该方法；还可研究泄漏口条件对外部羽流的影响并评估工业风险，并比较ALDEA、Phast、HyRAM+等积分代码默认参数化与CEDRE结果。研究结论翻译如下：本工作呈现了针对用于H_2,LIQ航空加油的假想管道泄漏中相变的模拟。研究人员使用CEDRE进行RANS模拟，获得泄漏内空气动力学和热力学演化。通过Y⁺准则验证不同网格。随后开展参数研究，评估管内质量流、管内压力、泄漏直径和流体温度对相变及泄漏内质量流的影响。以H₂O作为管道流体的案例趋势用于验证泄漏内模拟现象。主要结果包括：管内质量流对泄漏内平均速度和相变影响较小，尽管最高质量流会产生较大下游尾迹；管内压力越高，膨胀越强，流动加速越高；泄漏直径影响复杂，源于空气动力学、下游尾迹形状和热力学之间的竞争，但对压力、温度和速度平均值影响较小，约10%；H_2,LIQ过冷直接影响泄漏内膨胀，管内温度越低，膨胀越强；下游尾迹也受强烈影响，局部压降导致更强蒸发；在泄漏口，所有过冷案例的相变和加速减弱，尽管泄漏内膨胀更强；所有过冷案例温度从管入口到泄漏末端几乎恒定，导致泄漏出口H_2,LIQ质量分数更高。最后，φ作为HyRAM+、ALDEA或Phast等积分代码的输入数据，仅强烈受注入管内H_2,LIQ过冷影响；对最过冷案例，φ接近这些代码标准默认值0.6；对其他案例，由于相变覆盖整个泄漏，φ最多被除以二。论文作者：Mathieu Muller。