管道内高压氢气泄漏自燃机理实验与数值模拟研究

发布时间：2020-07-16 07:24

【摘要】：化石燃料的过度开采和使用在当今社会带来了严峻的环境问题和能源问题。氢气作为未来一种清洁高效的可替代能源因其来源广泛、能量密度高、无污染、可再生等特性越来越受到包括我国在内的世界各国的关注。目前阶段,高压储氢是最为理想的一种储氢手段。但是高压存储的氢气化学性质非常活泼,在一定条件下,氢能与多种金属发生化学反应,发生氢脆现象,结果往往造成储氢容器和管道的破裂,最终造成整个储氢系统的泄漏。而高压氢气一旦泄漏,在管道中极易发生自燃,并引发燃烧爆炸。高压氢气泄漏自燃是未来氢能安全利用的重大安全隐患。但我们目前对高压氢气泄漏自燃的机理、微观动力学过程以及相关影响因素研究还不够深入。高压氢气泄漏自燃的临界条件、自燃特性、临界泄放压力、管内激波产生与传播特性、管外氢气射流火焰形成机制及传播特性还没有得到完全的揭示。因此,本文在前人研究的基础上,采用实验方法对管道结构、爆破片开口率、管道内掺混气体对高压氢气泄漏自燃的影响机制进行了详细研究;采用数值模拟方法对管道内微观动力学过程和自燃机理进行了详细研究;采用相似分析方法在高压氢气泄漏自燃微观机理的基础上建立了氢气自燃的预测模型。首先,使用压力传感器、光电二极管和高速摄像机采用实验方法对管道结构、爆破片开口率、管道内掺混气体对高压氢气泄漏自燃的影响机制进行了详细研究。研究表明高压氢气泄漏到直管道中时,高压储罐内的压力并不会迅速降低。在初始阶段,随着泄漏口面积的逐渐增大,氢气泄漏率逐渐增大;随后高压储罐内的压力才开始降低。在整个泄漏过程中,高压储罐内的压力下降呈现先增加后降低的趋势。此外,随着泄放压力的升高,氢气发生自燃的可能性逐渐升高,点火延迟时间也越来越短。当使用长度为360 mm、直径为15 mm的直管道时,氢气自燃的临界泄放压力为4.09 MPa。当氢气火焰传播进入防护箱后逐渐分裂为两部分,一部分稳定在管口附近,另一部分则继续向下游传播。然而,当使用U形管道时,管道内的激波压力出现了第二次明显的升高,意味着管道内形成了反射激波。随后该反射激波传播进入高压储罐并引起了压力的小幅的上升。因为管道内激波反射的发生,使得管内激波压力和激波强度出现了明显的升高。因此,管道结构对高压氢气泄漏自燃有着非常显著的影响。高压氢气自燃临界泄放压力明显降低到2.19 MPa。相比直管道,点火延迟时间和点火位置也更靠近管道上游。氢气火焰在防护箱内的传播行为也出现了明显的不同,在较低泄放压力条件下,火焰并不会发生分裂,而是作为一个整体向下游传播。当使用不同角度弯管道时,管道内也出现了明显的激波反射现象,引起了激波压力的明显升高。而且研究发现,管道角度越小,激波反射越明显,管内激波压力越高。激波在通过管道转角处时平均速度会出现下降。管道角度越小,氢气自燃的临界泄放压力就越小。尽管管内激波出现了明显的升高,但是管外防护箱内的激波超压却出现明显的降低。和U形管道类似,在较低的泄放压力下,管外火焰也没有发生分裂。此外,爆破片开口率也是影响管内激波强度和氢气自燃的重要因素。爆破片开口率越小,管内激波的平均速度就越小,激波压力也就越小。这主要是因为当爆破片开口率小于1时,爆破片在氢气泄漏过程中无法完全打开,形成渐缩形管道结构。超音速流体经过此结构后则会出现明显的速度降低,从而造成激波压力的降低。在激波压力明显降低的情况下,氢气发生自燃的可能性也就大大降低了。研究发现当爆破片开口率≤1/2时,泄放压力高达9.0 MPa都无法诱发氢气自燃。当爆破片开口率=2/3时,临界泄放压力升高到6.41 MPa。管外激波超压也随着爆破片开口率的降低而降低,从而极大地降低了对周围设施和人员的伤害。当管道内掺混氢气时,管内激波速度随着氢气浓度的增加而增加。一维正激波理论计算表明,马赫数、激波压力和激波波后温度随着氢气浓度的增加而降低。泄放压力为2 MPa时,氢气浓度增加到20%,激波压力和波后温度分别降低5%和3%;泄放压力为6 MPa时,氢气浓度增加到20%,激波压力和波后温度分别降低7%和6%。氢气自燃发生的可能性随着氢气浓度的增加而增加,当氢气浓度达到20%时,临界泄放压力仅为1.79 MPa。而掺混CO2时,管内激波速度和压力都没有明显的变化。但是氢气自燃发生的可能性随着CO2浓度的增加而降低,当CO2浓度达到20%时,临界泄放压力高达6.41 MPa,提高了1.47倍。此外,火焰传播的平均速度、光电二极管信号的最大值和持续时间都随着CO2浓度的增加而降低;而点火延迟时间和点火位置则随着CO2浓度的增加而增加。这主要是因为CO2极易在高温下与H自由基发生化学反应生成CO,从而抑制了氢气的燃烧反应。随后运用Fluent软件,采用LES湍流模型和EDC燃烧模型以及1 8步氢-空气详细化学反应机理对直管道内的微观动力学过程和自燃机理进行了详细研究并和实验结果进行对比。研究发现高压氢气泄漏后,管道内首先形成半球形激波,当其径向传播碰到管道壁面后发生反射并在管道中与其他反射激波相交形成马赫盘、激波三相点、桶形激波和钻石型单元结构等经典欠膨胀射流结构;期间,半球形激波也逐步转变为正激波向下游传播。随着爆破片的逐步打开,反射激波角度逐渐增大,马赫盘高度逐渐降低直至消失,桶形激波、钻石型单元结构等其他结构也随即消失。由于管道内马赫盘的形成,马赫盘前的压力明显大于马赫盘后的压力,马赫盘消失后,马赫盘后的压力逐渐升高。管道内轴向形成了高压激波作用区域、高压马赫盘区域、低压钻石型单元结构、高压马赫盘区域、低压钻石型单元结构的压力分布。由于管道内马赫盘的形成,在马赫盘后方形成了一个高速区域。随着马赫盘的逐渐消失,此高速区域的速度逐渐降低。此外,马赫盘外侧、靠近壁面处的传播速度要远远大于管道中心处的传播速度。且随着马赫盘的逐渐消失,靠近壁面处的高速区域范围逐渐扩大,直至融合在一起,引起速度的进一步升高。第二个马赫盘后的低速区域范围并没有减小,在管道中心处形成了一个椭圆形的低速区域。在轴向方向,初始阶段氢气在管道中心扩散速度略大于管道壁面附近的氢气的扩散速度,氢气射流是向前凸起的形状。随后管道壁面附近的氢气扩散速度明显大于管道中心处的氢气的扩散速度,氢气射流逐步转变为向后凹下的形状。最终在管道壁面和管道内形成了一定浓度的氢/空气混合层。在初始阶段,氢气射流内部温度迅速降低,而且马赫盘前的温度要高于马赫盘后的温度。随着马赫盘的逐渐消失,马赫盘前的温度逐渐降低、马赫盘后的温度逐渐升高,三个区域逐渐融合成一个有着相似温度的区域。氢气射流前端激波作用区域的温度逐渐升高,范围逐渐扩大。由于粘性耗散作用,管道壁面的温度要高于管道内的温度,管道壁面氢/空气混合物温度达到自燃温度并在维持一段时间后,自燃在管道壁面最先发生,并引起温度的迅速升高。随后,氢气射流前端管道内的温度也迅速升高并和管道壁面的高温区域融合成一个高温区域,管道内再次发生氢气自燃。随后,两部分燃烧区域逐渐融合形成一个燃烧区域。此外,数值模拟的三种工况成功地再现了实验中的自燃发生情况以及点火位置。最后在实验和数值模拟研究的基础上,提出了氢气自燃的发生需要两个条件:一是足够强的激波强度,即激波压力;二是氢/空气混合物高温维持所需的足够的时间。研究中采用量纲分析方法,给出了描述管内无量纲激波压力的表达式:(Pb/Pa)(D/ust),其中第一部分表示的是不考虑爆破片打开时间时的理想激波压力;第二部分是激波以速度us传递特征长度(即管道直径D)所用的时间与爆破片打开时间的比值,描述的是爆破片打开时间对管内激波压力的影响。氢/空气混合物高温维持所需的时间用L*=L/D描述。拟合结果发现,高压氢气泄漏自燃的预测模型为(Pb/Pa)(D/ust)=22.3(L/D)-0.58。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X932
【图文】：

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