隧道内氢气释放与扩散假设喷嘴方法的工程验证

《International Journal of Hydrogen Energy》：Engineering validation of notional nozzle method for hydrogen release and dispersion in tunnels

　　

摘要

随着氢燃料电池汽车的发展，隧道内的氢气安全问题日益重要，数值模拟成为主要研究方法。然而该方法存在技术局限，且计算时间和资源成本较高。以往研究认为增大虚拟喷嘴直径是可行的，泄漏率对风险水平影响不大，但这些结果尚未在隧道氢气泄漏场景中得到验证。本研究通过缩小比例的实验和数值模拟来验证其工程应用性。在0°和45°泄漏角度下，研究了稳定释放情况下其对近场氢气浓度模拟的影响；同时针对泄压释放情况开展全尺寸隧道模拟，分析其对氢气云演化、可燃云体积及观测点浓度的影响。该方法可在一定程度上平衡精度损失与计算成本，为隧道氢气相关工程应用和数据库建立提供帮助。

引言

氢燃料电池汽车作为清洁、绿色且可持续的替代能源交通工具，具有续航里程长、加注速度快的优点[1]。其应用场景从开放道路扩展到高速公路隧道等典型环境，但安全问题仍是公众关注的焦点。

为此，学者们对氢燃料电池汽车在高速公路隧道中的安全性展开了研究，通过风险评估、数值模拟和实验等方式深入探讨了氢气泄漏、扩散、积聚甚至燃烧的动态行为。但由于成本高昂且实施条件复杂，全尺寸或缩小比例的隧道氢气安全实验难以开展。目前仅有少量大规模隧道氢气安全实验被实施[2,3]，现有文献中的实证数据也非常有限。因此，当前研究主要依赖数值模拟方法[[4], [5], [6]]。

由于参数控制灵活，计算流体力学成为研究隧道内氢气泄漏、扩散和燃烧动态行为的常用工具。不过，高压氢气欠膨胀射流的数值模拟面临两大挑战：其一，孔口附近存在膨胀波、激波和压缩波，复杂的流场结构会干扰数值计算的稳定性；其二，泄漏尺寸（毫米级）与实际场景尺寸（米级）之间存在巨大差异，出口速度极高，因此需要极细的网格才能捕捉气流变化剧烈的激波区域，这会导致整个计算域的网格数量大幅增加，进而提升计算时间和成本。为解决这些问题，现有研究中提出了三种解决方案：首先，Birch[7]提出了初始虚拟喷嘴模型，通过设定合理的入口条件简化模拟，但实际应用中并不存在这样的入口条件。其他常用的虚拟喷嘴模型还包括Ewan模型[8]、Birch 1987模型[9]、Yüceil & ?tügen模型[10]、Schefer模型[11]和Molkov模型[12]。其次，Xu等人[13]提出了“两步法”，先计算激波区域，再将结果作为入口条件计算下游的扩散区域，但这种方法并未显著提升计算效率。第三，Li[14]提出了双层模型，同时考虑核心区域和边界层区域的流动，提升了计算精度。后两种方法的建模和网格划分更为复杂，难以直接应用于工程实践，也不利于构建氢气浓度模拟数据库。

为满足工程应用需求以及建立隧道氢气安全数据库的要求，人们一直在寻求更简便实用的方法并进行验证。Molkov[12]曾将增大虚拟喷嘴直径得到的CFD结果与实验数据进行对比，取得了较为满意的结果。此外，Sanjeev Gupta[15]测量了封闭式缩小比例车库内的24小时氢气浓度，分析表明风险水平主要受释放气体总量而非流速的影响。缩小比例实验充分表明，流速会显著影响氢气扩散和氢气云的形成过程，但对稳定状态下的氢气云浓度影响较小。这一结论价值显著，也被其他学者引用[16]。

在Molkov的研究[12]中，并未详细说明该方法的适用条件，也未将其拓展到密闭空间场景。实验条件被设定为0°泄漏角的开放空间中的稳定释放情况，因此其结论可能无法直接应用于隧道内氢燃料电池汽车发生TPRD泄漏的场景。而Gupta的研究[15]则更适用于长宽比较小的封闭式车库，长时间实验得出的结论也可能不适用于实际工程。尽管有一些研究[5]应用了这些结论，但并未对其在真实隧道场景中的可行性和适用条件给出详细解释和验证。

由于三个主要因素，直接应用以往研究的成果并不现实，因此有必要对方法的可行性进行实证验证，并系统明确其适用边界条件。首先是几何限制，隧道拱顶容易形成氢气积聚层，氢气可能会滞留在局部低洼区域。其次是隧道实验的建造成本较高，有限的实验数据也为后续研究带来了困难。最后，现有文献中很少有研究探讨特定角度下的氢气释放情况[16]，大多数研究都聚焦于垂直方向（向上或向下）的释放[17,18]。

鉴于以往研究的局限性，本研究通过缩小比例实验和数值模拟，系统研究了该方法在真实隧道环境中的有效性及适用范围。通过缩小比例实验，验证了在稳定释放条件下增大虚拟喷嘴直径对近场浓度的影响；通过泄压释放的数值模拟，分析了增大虚拟喷嘴直径对隧道内氢气扩散和混合行为的影响，以及是否会影响氢气云的厚度和浓度。同时还分析了不同直径虚拟喷嘴的工程应用可行性。该方法能够快速获得隧道模拟结果，降低工程应用成本，有助于建立氢气浓度数据库。此外，本研究还为该方法在典型高速公路隧道场景中的适用条件提供了理论补充、定量表征和必要的拓展。

章节节选

缩小比例实验与数值模拟的描述

本研究同时考虑了稳定释放和泄压释放两种情况。稳定释放的数值模拟结果通过缩小比例实验进行验证，研究了增大虚拟喷嘴直径对数值模拟中近场氢气浓度精度及其变化趋势的影响。泄压释放情况则通过数值模拟分析，探究虚拟喷嘴直径对氢气云的形成、厚度和浓度的影响。

缩小比例实验

为验证实验测量的可靠性和重复性，在1:2比例的缩小比例隧道中，针对0°和45°两种泄漏角度，分别进行了三次独立重复试验。对每个测量点的时变氢气浓度数据进行了统计分析，数据点取三次测量的平均值，误差条为标准差，如图3所示。误差条的幅度

结论

本研究的主要贡献在于实现了隧道模拟结果的快速获取，降低了工程应用成本。通过在1:2比例的缩小比例隧道中，对0°和45°泄漏角下的稳定释放情况开展实验测试和数值模拟，验证了Molkov[12]提出方法的可行性。随后又通过数值模拟将该方法应用于全尺寸隧道中的泄压释放场景，旨在

CRediT作者贡献声明

Xu Zhu：数据整理、方法设计、初稿撰写、审稿与编辑。 Changjian Wang：概念构思、资金申请、方法设计、审稿与编辑。 Zuocai Wang：实验研究、方法设计、结果验证。 Yang Gao：数据整理。 Jian Wang：实验研究。 Lei Shi：结果验证。 Weiran Xiang：方法设计。 Shengjie Jin：形式化分析。

利益冲突声明

作者声明与本研究不存在任何利益冲突。我们声明与所提交的这项工作无关任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢

本研究得到了宁夏回族自治区重点研发计划项目（项目编号2025BEE02010）、安徽省科技创新突破计划项目（项目编号202423i08050001）以及中国中车长春轨道客车股份有限公司提供的支持（项目编号2024CCB194）。

Xu Zhu|Changjian Wang|Zuocai Wang|Yang Gao|Jian Wang|Lei Shi|Weiran Xiang|Shengjie Jin

中国安徽合肥工业大学土木工程学院，合肥230009