矩形喷嘴超声速氢气射流实验和模拟研究

发布时间：2021-03-02 01:06

　　为了减少对化石能源的使用,降低对石油进口的依赖度,同时控制污染物排放以改善环境,氢能作为一种重要的新能源形式被越来越广泛地研究。为了保证氢能的有不弱于传统能源的安全性能,需要对氢能的应用安全进行详尽的研究。氢气泄漏扩散研究作为氢安全研究的一个基础方向,对氢安全标准的制定和完善具有重要意义。现有的氢泄漏研究多针对圆形泄漏口,缺少针对非圆截面泄漏口的研究。考虑到实际的泄漏往往是通过狭长的裂缝发生,因此本文将泄漏口简化为不同长宽比的矩形,并进行了一系列的实验、模拟和理论研究。本文搭建了高压气体泄放实验台,为了保障实验安全,采用与氢气物理性质接近的氦气进行实验,实验最高压力为3.7 MPa。设计了一系列可替换的喷嘴,这些喷嘴的等效直径范围是0.55～1.5 mm、长宽比为1～12.6不等。实验结果表明,类似于圆形喷嘴射流,矩形喷嘴射流参数的变化也具有自相似性,可以采用等效直径和泄放压力对射流参数进行无量纲处理。在实验的压力范围内,正方形喷嘴扩散速率远小于其它长宽比喷嘴,而长宽比大于1的喷嘴的射流扩散速率受压力影响不明显。在泄放实验的基础上,本文对矩形喷嘴氢气射流进行了数值模拟研究,探究更高压力... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：99 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１氢事故序列［１４］??

１．绪论??有重要意义［２４，２５］。??当前氢能的发展正处于起步阶段，相关行业标准的不完善和加氢站等基础设??施的欠缺都严重地制约着氢能的大规模商业化应用。氢安全问题则是在制定行业??标准和进行基础设施建设之前必须要充分研宄的基本问题［２６］，对氢安全问题的??系统研宄有利于消除公众对氢能应用的疑虑并促进相关行业标准的制定及完善。??１．２．国内外研究现状??当前对氢气意外泄漏射流的研宄多为圆形喷嘴射流研宂，针对异形喷嘴特别??是矩形喷嘴的研宄较少且不成体系。同时，从圆形喷嘴和二维平面喷嘴发展而来??的射流理论以及扩散规律对矩形喷嘴射流具有一定的参考价值。因此本节将会综??述国内外射流理论、实验和模拟等研宂成果。??１．２．１．理论研究??事故情况下的氢气射流可以分为在喷嘴处不发生壅塞的低压亚声速射流、在??喷嘴处发生壅塞的欠膨胀射流。氢气的临界压力比很低约为０．５３，?ｇ氢气泄漏??极易形成超音速流动，并形成复杂的激波结构，如图１－２所示。李雪芳等［２７］提出??了髙压储氢系统泄漏的热力学模型，归纳了有限容积高压储氢瓶泄漏的理论计算??模型。Ｈｏｕｆ和Ｓｃｈｅｆｅｉ＾提出了低流速氢气射流的流动模型。??■■??图１－２高度欠膨胀射流激波结构示意图??为了解决实际问题中的泄漏口不为圆形的问题，通常将圆对称的喷嘴假设为??椭圆形或者矩形。对于矩形截面喷嘴射流，射流可以分为势核（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｃｏｒｅ）、??准二维流动和轴对称流动三个流区１３Ｇ］。高压力比的超声速矩形截面射流，出口附??５??

对喷嘴长宽比为５和１２．８?（ＡＲ５和ＡＲ１２．８）的矩形喷嘴射流火焰（４０ＭＰａ）进??行了研宄，发现矩形喷嘴火焰比圆形喷嘴更宽，但是长度更短。陈喆等１？采用纹??影法获得了不同压力下矩形喷嘴射流的激波格栅结构变化，该研宄展示了随着压??力的增加，矩形喷嘴射流在短轴平面的流动扩散有变宽的趋势。Ｒｕｇｇｌｅｓ和??Ｅｋ〇ｔ〇ｌ３４］采用ＰＬＲＳ技术测量了等效直径都为１．５?ｍｍ长宽比为２、４和８的矩形??喷嘴以及圆形喷嘴的氢气射流的浓度场，并使用纹影法测量了喷嘴附近的激波形??态，如图１－３所示。??圆形?ＡＲ８长轴平面?ＡＲ８短轴平面??图１－３圆形和矩形喷嘴氢气射流激波结构（丨ＭＰａ）?［３４］??１．２．３．数值模拟研究??ＣＦＤ模拟研宄在氢气泄漏方面的应用广泛，目前有较多针对圆形喷嘴的模??拟研究。柯道友等［４７］构建了针对氢气的射流ＣＦＤ模拟理论模型框架。Ｌｉ等Ｍ在??ＯｐｅｎＦＯＡＭ平台上采用ＬＥＳ模型计算了?Ｈ２和沁射流形成的激波及扩散差异。??７??


本文编号：3058308