《International Journal of Hydrogen Energy》：Unsteady early-stage behaviour of horizontal cryogenic hydrogen releases in crosswind
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采用非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方法研究了横风条件下低压力比（PR）低温氢水平泄漏的非稳态早期发展行为。模型通过水平与垂直泄漏构型分别与实验数据及其他数值研究进行了验证。研究发现，在低PR条件下，垂直扩散距离随风速增加呈单调递减趋势；
采用非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方法研究了横风条件下低压力比（PR）低温氢水平泄漏的非稳态早期发展行为。模型通过水平与垂直泄漏构型分别与实验数据及其他数值研究进行了验证。研究发现，在低PR条件下，垂直扩散距离随风速增加呈单调递减趋势；然而该趋势在高PR条件下并不始终成立，此时初始动量作用更为显著。类似地，横风对低PR条件下横风方向扩散距离的影响更为明显。在所有工况中，水平扩散距离随时间显著变化，峰值可达稳定长度的四倍。羽流发展过程中观察到羽流头部流动脱落现象，脱落流体质团可传播相当距离，导致扩散范围扩展及可燃云体积（FCV）变化。风对脱落流体质团具有双重效应：较大风速增强空气卷吸，促使分离质团更快消失，但同时提高质团传播速度，导致传播距离增加。较高PR增强初始动量，使质团传播距离更大。上述动力学机制导致羽流演化过程中FCV出现显著时间变化。研究发现最大FCV出现在分离流体质团消失时刻，瞬态FCV峰值可达最终准稳态值的两倍。随风速增加，最大FCV因更强的空气卷吸与稀释作用而趋于减小。相反，提高压力比增强初始动量，导致FCV峰值提前出现、峰值增大及稳定时间缩短。总体而言，上述发现凸显了捕捉氢扩散早期非稳态动力学的重要性。FCV与羽流扩散距离在峰值与准稳态之间的差异揭示了关键安全意义。现有低阶工具如HyRAM（Hydrogen Risk Assessment Models）假设稳态条件，可能低估瞬态风险。因此，将早期羽流发展纳入设计与监管框架对于更准确可靠的氢安全评估至关重要。
研究背景方面，氢能作为清洁能源载体在交通、工业及发电等领域具有重要脱碳潜力，但低温氢（LH2）储存与运输中的意外泄漏带来严峻安全挑战。氢具有宽可燃极限（空气中体积分数4%~75%）和极低最小点火能量，泄漏后可导致低温灼伤、着火与爆炸。2019年韩国与挪威加氢站事故及2020年加氢站爆炸事件凸显了深入理解氢泄漏扩散机理的迫切性。现有研究主要集中于高压常温压缩氢气（CGH2）的扩散行为，而低温氢泄漏的扩散特征与风险认识相对不足。实验方面，Hecht与Panda开展了垂直泄漏实验，发现低温氢的最大点火距离大于常温氢；英国健康安全执行局（HSE）开展了户外水平泄漏实验，揭示风速风向显著影响氢羽流扩散；Ge等实验表明降低释放温度会减缓浓度衰减，形成更长更大的可燃包络。数值方面，大涡模拟（LES）可捕捉精细湍流结构但计算成本高昂；雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方法能以合理精度预测系统尺度平均行为，标准k-ε模型被推荐用于低温氢泄漏模拟。然而，已有研究主要关注准稳态羽流行为，现有低阶模型亦基于稳态假设，无法捕捉泄漏后早期羽流发展过程，尤其是横风条件下的瞬态演化认识不足。为此，研究人员采用URANS方法研究横风条件下低温氢水平泄漏的瞬态行为，重点关注羽流早期发展，选取两种压力比与四种风速工况开展模拟，旨在深化对早期瞬态低温氢扩散的理解并为风险评估与危害缓解提供依据。
关键技术方法方面，研究采用商业CFD软件CONVERGE进行瞬态三维模拟，使用标准k-ε湍流模型结合浮力源项，采用Peng-Robinson状态方程（EoS）或列表数据评估流体热力学性质，氢与空气建模为单一可混溶气体混合物并求解组分输运方程。空间离散采用有限体积法，时间推进采用一阶隐式Euler方法结合PISO算法。网格策略采用自适应网格细化（AMR）与固定嵌入相结合的混合网格方法。水平泄漏验证采用HSE实验Trial 5数据（45 K、2.1 bar、6 mm孔径），垂直泄漏验证采用Sandia国家实验室实验数据（50 K、5 bar、1 mm孔径），储存罐几何参照Saini等的轴对称模拟配置。
研究结果方面，模型验证部分：垂直泄漏工况对比了列表法与EoS方法，发现列表法在近孔口激波区高估温度约10 K，而EoS方法准确捕捉了激波胞格结构，与轴对称精细模拟及实验数据吻合良好；水平泄漏工况模拟结果与绝热混合模型及HSE实验数据总体吻合，近喷嘴处偏差归因于空气组分凝结及实验风速波动。稳态行为部分：羽流轨迹由浮力、初始动量与横风共同决定，PR从1.1增至2.1时流动机制从动量-浮力混合主导转变为动量主导；低PR下FCV随风速单调递减，高PR下FCV随横风变化非单调；无风工况下高PR因更强地面相互作用与湍流卷吸导致4%氢浓度等值面轴向范围反而较短。瞬态行为部分：观察到FCV先增后减的时间变化，羽流头部发生流动分离形成脱落质团，分离质团可传播较远距离后耗散；PR=1.1、风速1.8 m/s工况在t=3.34 s发生流动分离，羽流断裂为主体与两个脱落质团；较高风速下羽流更快达到准稳态，v=3.6 m/s工况FCV在t=3.9 s达准稳态，约为v=0.9 m/s工况的五倍速度；高PR下分离质团体积更大、传播更远，最大FCV与最大扩散面积均随压力比增大。羽流分离动力学部分：通过涡量分量ωx、ωy、ωz的时空演化分析，证实羽流头部形成涡环结构，t=3.44 s时截面切片显示一对相反符号涡量区，对应三维涡环截面，表明观察到的羽流分离与涡诱导脱落（pinch-off）过程相关，该过程与起动射流及浮力羽流中涡环形成机制一致，但区别在于浮力诱导加速使涡量在整个流场中持续产生。扩散距离部分：垂直方向最大羽流尺寸主要反映浮力影响，有风工况下较强横风减小垂直扩散，较高PR因气体密度较低导致羽流行为更不稳定且垂直穿透略大；释放方向最大羽流尺寸主要受初始动量控制，PR=2.1工况最大扩散距离约为PR=1.1的两倍；水平方向最大羽流尺寸主要反映横风影响，脱落质团向域边界运动时急剧增加，质团消失后迅速下降；PR=1.1工况约12 s、PR=2.1工况约16 s达到准稳态。FCV部分：相同压力比下FCV增长率几乎相同，随风速增加峰值FCV减小且达峰时间显著缩短；压力比增大导致峰值FCV更高且稳定时间更长，压力比加倍约使峰值FCV加倍；风速从0增至3.6 m/s，PR=1.1工况达最大FCV时间缩短80%，PR=2.1工况缩短60%；最大FCV分别减小80%与70%；瞬态FCV峰值可达准稳态值的两到三倍。
讨论与结论部分，本研究采用URANS模拟研究了横风对低压力比条件下水平氢泄漏的影响，模型通过水平与垂直泄漏构型与实验数据及其他数值研究进行了验证。低PR条件下垂直扩散距离随风速增加呈单调递减，但该趋势在高PR下并不始终成立；横风对低PR条件下横风方向扩散距离影响更为显著；所有工况中水平扩散距离随时间显著变化，峰值可达稳定长度的四倍。羽流发展过程中观察到羽流头部流动脱落，脱落流体质团可传播相当距离，导致扩散范围扩展及FCV变化。风对脱落质团具有双重效应：较大风速增强空气卷吸促使质团更快消失，同时提高质团传播速度导致传播距离增加；较高PR增强初始动量使质团传播距离更大。上述动力学导致FCV显著时间变化，最大FCV出现在分离流体质团消失时刻，瞬态FCV峰值可达最终准稳态值的两倍；随风速增加最大FCV趋于减小，提高压力比则使FCV峰值提前出现、峰值增大及稳定时间缩短。总体而言，上述发现凸显了捕捉氢扩散早期非稳态动力学的重要性，FCV与羽流扩散距离在峰值与准稳态之间的差异揭示了关键安全意义，现有低阶工具如HyRAM假设稳态条件可能低估瞬态风险，将早期羽流发展纳入设计与监管框架对于更准确可靠的氢安全评估至关重要。
