小型车库中燃料电池汽车氢气泄漏扩散与燃烧的数值模拟

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical simulation of hydrogen leakage diffusion and combustion from a fuel cell vehicle in a small garage

　　摘要：评估并降低氢气泄漏带来的风险对于保障安全至关重要。为评估小型车库中燃料电池汽车氢气泄漏的风险，研究采用了虚拟喷嘴模型，计算了35 MPa压力罐泄漏后氢气扩散的参数。同时建立了氢气扩散的数学模型，通过模拟12种不同情况来研究不同通风策略对氢气扩散的影响，并引入了一种基于用户定义函数（排气速度=氢气质量分数×800 m/s）的智能排气策略。最后，在其中一个案例中模拟了氢气泄漏后的燃烧现象，进一步研究火焰传播情况。研究表明，当车库门打开时，自然风比强制通风更能有效降低风险；而当车库门关闭时，强制通风有助于减少有害氢气的体积。在燃烧过程中，车库门附近的空气流动会加速火焰传播。

引言：全球气候变化主要由温室气体排放引发，表现为全球变暖，这迫切需要可持续的能源解决方案。氢气作为一种清洁高效的能源载体，在燃料电池、交通领域以及工业流程等方面具有巨大应用潜力[[1], [2], [3]]。然而，氢气的物理和化学特性在储存、运输和使用过程中带来了诸多安全挑战。其极低的分子量使得氢气能够快速穿透容器材料，甚至渗透那些常规燃料无法进入的微孔结构。此外，氢气还具有较宽的易燃范围（4–76%）[4]以及较低的最低点火能量，这些特性使得泄漏的氢气极易形成可燃混合物，从而大幅增加爆炸风险[[5], [6], [7]]。近期发生的多起氢气泄漏事故促使人们更加重视对其扩散行为及相关危害的研究。

目前的氢气安全研究大多先着眼于局部喷射现象的研究，再探讨开放或半封闭环境中的扩散行为。氢气喷射通常具有较高的膨胀速度。由于自身的物理特性，泄漏的氢气在初始释放阶段会迅速与空气混合并扩散[[8], [9], [10]]。实验研究需要投入大量时间和资金，因此数值模拟已成为研究氢气扩散的主要方法。通过数值求解纳维-斯托克斯运动方程和扩散方程，研究人员可以准确预测不同环境条件下氢气扩散的行为。早期研究者主要关注局部氢气喷射行为，李等人[11]和浅原等人[12]都运用计算流体动力学方法对泄漏后的氢气喷射进行了数值模拟，前者研究了不同压力和喷射直径下低压及高压氢气泄漏的特性，并将模拟结果与实验数据进行了对比验证；后者发现氢气喷射速度的时空分布与其浓度密切相关。田等人[13]则对不同环境下的氢气泄漏与扩散进行了模拟，系统研究了空间限制、氢气储存罐压力以及障碍物存在对扩散过程的影响，结果表明空间限制会对泄漏后氢气浓度分布产生显著影响，同时还量化了不同限制程度下的安全距离和峰值压力。徐等人[14]使用Fluent软件对大型矩形空间内的氢气泄漏进行了数值模拟，引入了加权平均浓度指数来表示整体氢气浓度，并分析了泄漏速率和方向对扩散行为的影响。王等人[15]和吕等人[16]则研究了不同结构环境下的氢气泄漏特性，分析了泄漏速率、通风条件等因素对氢气浓度分布和扩散模式的影响。孙等人[17]和钱等人[18]分别针对液氢以及加氢站处的氢气泄漏进行了模拟研究，探讨了环境因素对气体扩散的影响，其中孙的研究重点分析了风向对可燃气体云扩散的影响，而钱则着重研究了风速和障碍物存在对氢气泄漏扩散的影响，他们的研究发现表明，风速增大时，可燃气体云的范围会缩小；反之，当泄漏源与障碍物之间的距离减小且接触面积较小时，可燃气体云的横截面则会扩大。毕等人[19]和关等人[20]则分别使用FLACS软件研究了集装箱运输过程中燃料电池汽车以及燃料电池船舶的氢气泄漏问题，通过数值模拟分析了泄漏直径、泄漏方向以及通风方式对氢气扩散的影响。

此后，研究人员进一步研究了氢气喷射释放后的扩散行为。高等人[21]对运输船上燃料电池汽车的氢气泄漏进行了二维模拟，系统研究了泄漏位置和通风条件对氢气扩散行为及浓度分布的影响。李等人[22]则通过数值模拟研究了封闭空间内的氢气泄漏与扩散行为，系统分析了泄漏位置以及通风开口配置对泄漏扩散特性的影响。金等人[23]针对不同程度的氢气泄漏设计了多种不同的通风开口，并提出了一种应急响应策略，包括设计爆破板式通风开口。李等人[24]研究了通风出口位置对燃料电池公交车客舱内氢气泄漏和扩散的影响，结果表明，在微量泄漏的情况下，通风出口的位置对氢气扩散有显著影响，适当位置的通风出口能够有效将车内氢气浓度控制在4%以下；但在严重泄漏的情况下，通风出口位置对氢气扩散的影响则相对较小。崔等人[25]考虑了环境风速的影响，对开放式加氢站的氢气泄漏进行了模拟，结果表明，在逆风条件下，可燃气体云的体积会增加，而有害气体云的体积则会减小。

最后，为研究事故情况下的相关危害，研究人员还模拟了氢气泄漏扩散后的燃烧现象。黄等人[26]使用FLACS计算流体动力学软件，系统研究了地下停车场中燃料电池汽车高压储存系统发生泄漏直至爆炸的整个过程，通过建立全尺寸几何模型，分析了泄漏大小和点火时机对氢气扩散、可燃云演变、超压以及火焰传播的影响，结果表明峰值超压取决于当量比和氢气分布情况，且与点火时间密切相关。类似地，梁等人[27]也使用FLACS对中国大连某可再生能源加氢站的泄漏爆炸情况进行了模拟，分析了风速、泄漏方向以及风向对可燃云形成、超压以及危险范围的影响，他们发现，来自90 MPa压力罐的泄漏会带来最严重的爆炸风险，尤其是在风速为3 m/s至5 m/s且与泄漏方向相反的情况下。李等人[28]则使用GASFLOW-MPI计算流体动力学代码，模拟了隧道内燃料电池汽车事故后的氢气释放、扩散以及燃烧过程，研究发现氢气倾向于在隧道顶部积聚，形成可燃层，存在从阴燃向爆燃转变的风险，主动点火可以产生受限的喷射火焰，从而降低危险，而延迟点火则可能导致强烈的爆燃以及高压冲击波的产生。

与FLACS和GASFLOW-MPI相比，ANSYS Fluent在模拟小型车库中的氢气泄漏和燃烧现象时具有更大的灵活性，其灵活的网格划分功能，以及详细的湍流、物种传输、热传递和燃烧模型，再加上用户定义函数的定制功能，使得能够高精度地分析喷射扩散、分层现象、通风效果以及火焰发展情况。虽然FLACS和GASFLOW-MPI在后果评估以及大规模氢气安全研究中表现出色，但Fluent更适合在小型封闭空间中进行以机制分析为主的参数研究。

与以往通常直接假设质量流量作为泄漏条件的研究不同，本文使用Fluent软件，针对35 MPa氢气储存罐泄漏的情况，计算了相当于虚拟喷嘴的质量流量，从而为相关研究提供了更为理论化的基础。此外，以往的研究大多侧重于对单个变量——如通风条件、环境参数或泄漏源特性——的线性分析，而本研究则探讨了多个因素之间的非线性耦合效应，全面分析了六个关键因素：车库门是否打开、进气口是否开启、不同的出气口速度、出气口布局、自然风速以及自然风向，重点在于揭示不同通风方式对氢气扩散的影响。另外，为解决实际车库环境中排气系统控制的问题，本文还开发了一种基于用户定义函数的智能排气运行控制模型。最后，在车库门打开且无自然风的条件下，对泄漏的氢气进行了点火，并引入了反应进度变量模型来计算火焰传播速度，进而分析火焰到达不同监测点所需的时间。

片段内容：
泄漏喷射的虚拟喷嘴模型：由于高压氢气储存罐泄漏点会产生复杂的激波结构，因此采用理想化条件来计算泄漏点一定距离处喷射气体的物理性质，这种方法被称为虚拟喷嘴模式，它可以作为高压泄漏条件下小孔的等效模型，有助于避免网格划分中出现尺寸变化过大的问题。

小型车库的几何模型：氢气具有易燃范围广、点火能量低以及在高速流动状态下燃烧扩散速度快的特点[31]，因此在大型地下车库中，一旦氢燃料汽车发生泄漏或爆炸，就会带来极大的安全风险。鉴于此，本研究采用了小型居民用两车车库作为几何模型（见图5），在车库内设置了9个监测点用于记录氢气浓度。

氢气扩散的数学模型：对于流体流动，质量守恒方程可表示为：?ρ/?t + ?·(ρu) = 0，其中t为时间，s；u为速度，单位为m/s；ρ为气体密度，单位为kg/m3；▽为纳布拉算子。动量守恒方程通常用纳维-斯托克斯方程表示：ρ(?u/?t + u·?u) = ??p + μ?2u + f，其中f为体积力，单位为N/m3；p为压力，单位为Pa；μ为流体的粘度系数，单位为Pa·s。能量守恒的简化方程为：?pe/?t + ?·(ρeu) = ?p(?·u) + ?·(κ?T) + Φ，其中e为……

结果与讨论：在后期处理中，会提取出处于危险浓度范围（4%–76%）内的氢气云，同时还会评估不同运行条件下小型居民车库中氢气泄漏后的扩散风险以及泄漏停止后的状况。图6展示了在条件V下氢气泄漏时的扩散过程，氢气从汽车底部开始释放，向上扩散到车库空间内，由于汽车底部的间隙很小且车库空间结构较为封闭……

结论：本文使用ANSYS Fluent软件，在12种不同条件下模拟了小型家庭车库中氢气泄漏的扩散过程，还对其中一个案例的燃烧情况进行了计算，以研究温度分布和火焰传播情况。研究结果表明：1）当车库门打开时，与强制通风相比，自然风速和风向对氢气扩散起着更重要的作用，且风速越大，效果越好，当风速为0.1 m/s时……

作者贡献说明：王浩泽：研究工作、软件应用、初稿撰写；夏玉珍：研究工作、方法设计、监督指导、审稿修改；胡桂林：概念构思、研究工作、监督指导、审稿修改。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了浙江省杰出青年科学基金（R1100065）的资助。

王浩泽|夏玉珍|胡桂林
浙江科技学院智能制造与能源工程学院，中国浙江杭州，310023