受限空间内高压氢气泄漏的数值模拟研究

发布时间：2020-07-27 16:23

【摘要】：近年来随着我国能源消费水平不断提升,环境污染问题日益严重。氢能作为一种高效、无污染的新式能源,正逐渐被人们所重视。其中氢燃料电池汽车及其基础设施加氢站是氢能应用的重要发展方向。由于氢气属易燃易爆气体,氢燃料电池汽车及加氢站中的高压储氢设备一旦发生泄漏就极有可能造成燃烧或爆炸事故。对高压氢气在受限空间泄漏进行研究是氢燃料电池汽车及加氢站得以推广的必要前提。本文利用CFD对高压氢气在例如车库及加氢站的受限空间内发生泄漏事故的情况进行模拟,主要研究内容如下:(1)基于真实车库体积及高压储氢罐泄漏速度,对受限空间内高压氢气泄漏过程进行了模拟。探究了是否存在障碍物、不同泄漏位置及不同通风口布置方式对泄漏过程中空间内氢气浓度分布和压力峰值的影响。(2)对泄漏结束后空间内氢气向外界扩散的过程进行了模拟,明确了通风口布置方式对氢气向外界环境扩散的影响。随后结合泄漏初期的模拟结果,为氢燃料电池汽车车库提供了较为合适的通风口布置方案。(3)对一日加氢能力为100 kg的加氢站进行了三维建模。该加氢站在设计过程中参照了NFPA的防火设计规范。并模拟了加氢站不同设备处高压氢气泄漏后可燃气云产生、流动及消散过程。(4)探究了泄漏环境复杂度和环境风速等因素对可燃气云流动及消散的影响,并指出在储氢区域周围设立围墙的优点与缺点。本文的研究成果可以为今后氢燃料电池汽车车库的设计提供指导,也可为加氢站高压氢气泄漏研究提供借鉴,或为加氢站量化风险评估提供数据支持。
【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
【图文】：

氢气,易燃易爆,车库,实验成本

这一结论与Ｇｕｐｔａ等人结论相同，即空间内最大氢气浓度更多取决于氢气泄漏总逡逑量而非氢气泄漏速度。随后实验还将空间内氢气体积浓度分别处于１３．３％、１５．２％逡逑及２９．３％时点燃，如图１．１所示，并记录了混合燃气体燃烧过程中空间内压力变逡逑化。逡逑喊，嚷ｉ逡逑图１．１不同氢气体积分数点燃情况及墙体损坏情况［２２］逡逑由于氢气易燃易爆，具有较高危险性，且车库空间较大，因此进行受限空间逡逑内氢气泄漏实验成本较高。相较之下利用计算流体力学（ＣＦＤ）软件进行空间内逡逑氢气泄漏的模拟，不仅可以节约研宄成本，还可以提供更为直观的结果以帮助研逡逑究。Ｓｗａｉｎ［２３］等人在２００３年利用ＣＦＤ与氢气风险评估方法（ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋ｒｉｓｋ逡逑ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）相结合的方式模拟了氢气在较小空间内发生泄漏的情况，并逡逑展示了氢气在空间内的流动情况。Ｚｈａｎｇ［２４】等利用ＣＦＤ软件及双层理论模型模逡逑拟了氢气在车库内泄漏的情况，并与实验结果进行了对比。结果显示ＣＦＤ相较逡逑双层理论模型更好的预测出了车库上半空间氢气云团的增长。同时结果显示通风逡逑口处气体流动速度除泄漏初始阶段外基本不随时间发生变化。１１却」１［２５］等人利用逡逑ＣＦＤ软件对Ｐｈｔｓ等人的氢气泄漏实验进行了模拟，结果显示ＣＦＤ模拟数据与实逡逑验结果吻合良好。同时还对采用不同湍流模型得出的模拟结果进行了对比，相较逡逑之下标准？模型可提供较好的模拟结果

关系图,压力峰值,实验装置,空间

际氢气泄漏质量流量高于式（１．５）计算结果时，空间内就会出现压力峰值现象。逡逑Ｓｈｅｎｔｓｏｖ等人给出了压力峰值与通风口边长关系图以便快速确认空间内是否存逡逑在压力峰值现象，如图１．３所示。逡逑１１逡逑

流程图,风险评价,流程,加氢站

仅可以科学评估某一事故的危害，更可直接参与安全标准的制定［３８］。量化风险评逡逑价主要包括四个部分，分别为危险辨识、概率分析、后果评估及风险度量，其流逡逑程如图１．６所示。目前己有对加氢站进行量化风险评价的研究【３９＿４１］，并成功得出逡逑了加氢站事故影响范围及不同风险概率云图，说明量化风险评价可对加氢站安全逡逑规范的制定提供帮助。逡逑风险辨识丨逡逑概率邋＾析｜逦｜后果＞估逡逑风险ｆ量逡逑与风险标准进行对比逡逑图１．６量化风险评价简要流程逡逑在量化风险评价中，后果评估是重要环节之一。后果评估通常采用实验、理逡逑１４逡逑

【相似文献】