基于两区模型的高压欠膨胀氢气射流研究

发布时间：2020-06-04 01:41

【摘要】：氢能是一种清洁可再生的二次能源,是未来替代化石能源的最佳选择之一。目前氢能商用过程中使用的储氢方式仍然是高压气态储氢,储氢设备存在发生氢气泄漏造成安全事故的风险。研究分析氢气泄漏后形成的高压欠膨胀射流流场,对制定氢安全领域中相关的规范和准则有着重要的意义。本文基于两区域虚喷嘴模型对流场中存在平板障碍物的高压欠膨胀射流进行了数值模拟研究,同时开展了相关的实验研究。传统对高压欠膨胀射流的完整CFD数值模拟方法具有模拟时间长、耗费计算资源多、计算不稳定等缺点,不能满足对氢气泄漏风险进行评估分析的实际工程应用。本文对高压欠膨胀射流激波结构进行研究,分析了核心区与混合边界层区内气体流动的特点,对射流边界条件和流动过程中的守恒关系提出合理的假设,结合现有关于激波结构参数的定量经验公式,考虑真实气体与理想气体的偏差引入Abel-Noble气体状态方程,最终建立了新型两区域虚喷嘴简化模型。并对其模拟高压欠膨胀射流的准确性进行了相关数值模拟和实验对比验证,结果证明两区模型可以准确计算高压欠膨胀射流流场。在一定程度上解决了传统虚喷嘴模型中不能体现射流激波结构,对实际流场模拟存在误差的问题。氢气发生泄漏后周围物体会对气体的流动产生阻碍作用,目前关于这方面的研究相对较少。本文利用两区域虚喷嘴模型,对射流流场中存在不同角度布置和不同距离布置的平板障碍物的情形进行了数值模拟研究,通过定性与定量的对比分析模拟结果,得到气体受障碍物影响的流动规律。平板倾斜度较大情况下气体在平板表面的浓度分布更均匀,倾斜度较小时气流在平板边缘的附壁效应更明显,随着平板与喷嘴之间距离的增大,平板表面的气体浓度分布曲线更平缓。平板障碍物的存在能够有效阻止气体的流动,使可燃域大部分集中在射流中心线的附近区域。
【图文】：

能量图,汽油车,氢气,单位量

内浓度下降速度较快。这些因素使得氢气发生泄漏后，相比其他传统燃料泄漏引逡逑发严重事故的风险较低，因此氢气的使用安全性相对较高。美国能源部的一份报逡逑告中给出了氢气车与汽油车的泄漏起火实验Ｗ，如图１－１所示，由于氢气的密度逡逑较低，所受到的浮力较大，射流火焰几乎垂直向上，对车体影响较小；而汽油车逡逑发生泄漏以后，燃料在车底狭窄空间聚集形成高浓度的可燃混合气体，造成了车逡逑体的剧烈燃烧。该实验能够在一定程度上说明氢气低密度、易扩散的特性有利于逡逑安全。逦＋逡逑６逡逑

示意图,欠膨胀射流,结构示意图

。逡逑储存设备内滞止压力Ｐｏ与环境压力的比值妒，以及泄露出口处气体压力逡逑八与环境压力的比值＆是决定射流流动状态的两个重要参数：逡逑＂。＝＾’＂６＝＾邋（１－１）逡逑一般情况下，当Ｔｌ0大于气体的临界压力比时，泄漏形成的射流即为欠膨胀射逡逑流。对于缩放喷嘴，则还需保证少＞１【１１】。逡逑发生高压欠膨胀射流时，泄漏口边界会形成普朗克－迈耶膨胀波群Sl『０１１出１－逡逑ＭｅｙｅｒＥｘｐａｎｓｍｕＦａｎ），使射流形成放射形边界，这些膨胀波群会经过反射与压逡逑缩过程形成斜激波。在价足够大时，射流气体会膨胀形成被称为马赫盘的正激波，逡逑核心区域内气体在通过马赫盘之后压力会恢复到环境压力，而速度则降低为亚音逡逑速。在斜激波之外的环形边界层内存在一系列复杂的压缩波，，该区域内气流保持逡逑超声速状态流向射流下游［１４］。典型的高压欠膨胀射流激波结构示意图如图１－２所逡逑示，高压欠膨胀射流可分为三个区域：近场区、过渡区、远场区［１５－１７］。逡逑ｕ逦Ｌ逦＾逡逑ｊｃｉ邋ｂ0ｕｍｌａｒ＞逦逦逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK91

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