液氫泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

凡雙玉 何田田 安 剛 劉玉濤

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

液氫泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

凡雙玉 何田田 安 剛 劉玉濤

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

通過ALOHA軟件進(jìn)行了不同風(fēng)速、環(huán)境溫度、泄漏量擴(kuò)散模擬，分析了不同風(fēng)速、溫度、泄漏量條件下的擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果表明，泄漏擴(kuò)散距離隨著風(fēng)速的增大而變小，風(fēng)速越大，泄漏擴(kuò)散范圍越?。恍孤U(kuò)散距離隨著環(huán)境溫度的升高而變大，溫度越高，泄漏擴(kuò)散范圍越大；泄漏擴(kuò)散距離隨著泄漏量的增加而變大，泄漏量越大，泄漏擴(kuò)散范圍越大。將液氫蒸發(fā)和氫氣擴(kuò)散試驗(yàn)的體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)與ALOHA軟件模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：ALOHA軟件對(duì)氫的體積分?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果具有良好的精度，在液氫泄漏事故應(yīng)急中具實(shí)用性。

液氫泄漏 擴(kuò)散范圍 ALOHA 軟件模擬

1 引 言

液氫作為一種無色無味、高能、低溫液體燃料，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，液氫具有超低溫(-253℃)、易汽化、易燃和易爆等特性，爆炸極限范圍為4.0%—75.0%。液氫在儲(chǔ)罐內(nèi)部處于熱平衡狀態(tài)，一旦發(fā)生泄漏后，在地表積聚形成液池，同時(shí)汽化擴(kuò)散，并在空氣中形成爆炸性混合氣體，當(dāng)被引燃時(shí)，在不同的條件下，可發(fā)生爆燃、高速爆燃、爆轟和氣云爆炸等化學(xué)爆炸。對(duì)周邊人員、試驗(yàn)設(shè)備和建筑設(shè)施的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。因此，研究液氫的泄漏擴(kuò)散規(guī)律對(duì)氫的安全使用意義重大。

目前，NASA和美國火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)液氫以及氫氣的泄漏研究比較全面。NASA在20世紀(jì)50年代在墨西哥沙灘開展了液氫大規(guī)模擴(kuò)散受風(fēng)速和風(fēng)向的影響試驗(yàn)[2]；1988年，美國火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Shebeko等人對(duì)封閉空間氫氣的泄漏擴(kuò)散做了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了射流動(dòng)能是影響氫氣擴(kuò)散的主要因素[3]。數(shù)值模擬方面，美國國家科學(xué)研究中心利用數(shù)值模擬軟件分析了，液氫泄漏后泄漏源類型和來自地面的熱量是影響液氫蒸發(fā)擴(kuò)散的主要影響因素[4]；美國Prankul Middha等人針對(duì)1980年NASA關(guān)于液氫泄漏的實(shí)驗(yàn)開展了相關(guān)的數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性[5-6]。國內(nèi)對(duì)液氫泄漏與擴(kuò)散的研究大多集中在數(shù)值模擬的理論研究階段，國內(nèi)張起源、吳光中、李茂等人對(duì)氫排放擴(kuò)散進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬研究，取得了一些研究成果[7-8]。

有害大氣空中定位軟件ALOHA軟件是由美國環(huán)保署(EPA)和美國海洋和大氣管理局為化學(xué)品泄漏事故進(jìn)行泄漏速率分析的通用工具。ALOHA軟件可以對(duì)廣闊區(qū)域性的大面積擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，可以快速預(yù)測(cè)可燃性范圍及可燃性氣體爆炸所能波及的范圍[9]。本文利用ALOHA軟件對(duì)不同風(fēng)速、溫度、泄漏量條件下的液氫擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)將現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該軟件模擬方法的可行性，為液氫泄漏事故的應(yīng)急處理提供依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型

ALOHA軟件中的預(yù)測(cè)模型包括高斯預(yù)測(cè)模型和重氣體模型兩部分，根據(jù)模擬氣體不同，用戶可自行選擇；用戶不確定時(shí)，可由軟件根據(jù)用戶設(shè)定的物質(zhì)來選擇。液氫儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)， 會(huì)在地面形成液池. 由于液氫的低溫性， 會(huì)吸收周圍空氣與水的熱量， 蒸發(fā)成低溫氣體擴(kuò)散到大氣中形成蒸氣團(tuán)，氣體在擴(kuò)散界面的體積分?jǐn)?shù)分布呈高斯分布。假定泄漏源位于坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)于瞬時(shí)泄漏，該泄漏模型可由高斯煙羽模型[10]表示為：

(1)

式中：C為液氫泄漏擴(kuò)散后在大氣中的體積分?jǐn)?shù)，mg/m3；Q為液氫的泄漏總質(zhì)量，mg；u為環(huán)境平均風(fēng)速m/s；Hr為有效源高度，m；t為擴(kuò)散時(shí)間，s；x、y、z為預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，m；δx、δy、δz分別為下風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎直方向的擴(kuò)散系數(shù)，m，參考文獻(xiàn)[11]的大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算3個(gè)方向的擴(kuò)散系數(shù)值。

3 幾何模型

本文主要研究液氫貯罐在戶外空曠場地瞬時(shí)泄漏后的擴(kuò)散機(jī)理。用廣口杜瓦瓶裝盛液氫，用人工傾倒或把液氫杜瓦瓶固定在傾倒架子上，遠(yuǎn)距離拉線，瞬時(shí)傾倒入水泥池中。為較為真實(shí)地反映液氫容器置于戶外搭建的試驗(yàn)環(huán)境下液氫泄漏狀態(tài)，通過改變液氫容器泄漏量、氣象條件來分別考察各種因素對(duì)蒸發(fā)的影響，擴(kuò)散模型及尺寸如圖1所示，模擬情景如表1所示。

圖1 幾何模型及尺寸Fig.1 Geometric model and dimension

表1 ALOHA的模擬情景

Table 1 ALOHA simulation scenarios

情景條件參數(shù)貯罐尺寸Φ1.6×2m開放區(qū)域建筑物單層、云量5濕度/%50風(fēng)向北風(fēng)速/(m/s)2、4、6、8瞬時(shí)泄漏量/m33、6、9、12環(huán)境溫度/℃-10、0、25、35

4 軟件模擬與分析

在液氫泄漏擴(kuò)散模擬中，根據(jù)氫氣的爆炸極限范圍將泄漏擴(kuò)散范圍劃分為3個(gè)區(qū)域：第一個(gè)區(qū)域氫氣體積分?jǐn)?shù)大于等于75%，第二個(gè)區(qū)域氫氣體積分?jǐn)?shù)大于等于10%，第三個(gè)區(qū)域氫氣體積分?jǐn)?shù)大于等于4%。

4.1 環(huán)境風(fēng)速

改變環(huán)境風(fēng)速，設(shè)置風(fēng)速分別為2、4、6、8 m/s，測(cè)點(diǎn)為地面上3 m。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 ALOHA的模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2所示模擬結(jié)果為液氫泄漏后在不同風(fēng)速中的擴(kuò)散，圖2a為風(fēng)速2 m/s時(shí)泄漏擴(kuò)散的范圍：風(fēng)速軸線長度為295 m，軸線垂直長度為96 m。圖2b為風(fēng)速4 m/s時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為139 m，軸線垂直長度為25 m。圖2c為風(fēng)速6 m/s時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為113 m，軸線垂直長度為23 m。圖2d為風(fēng)速8 m/s時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為98 m，軸線垂直長度為15 m。從圖2中可以看出：泄漏擴(kuò)散距離隨著風(fēng)速的增大而變小，風(fēng)速越大，泄漏擴(kuò)散范圍越小。

圖2 不同風(fēng)速泄漏空間分布圖Fig.2 Leakage area of different wind speed

4.2 環(huán)境溫度

改變環(huán)境溫度，設(shè)置溫度分別為-10、0、25、35 ℃，測(cè)點(diǎn)為地面上3 m?；A(chǔ)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3所示模擬結(jié)果為液氫泄漏在不同環(huán)境溫度環(huán)境中的擴(kuò)散：圖3a為環(huán)境溫度-10 ℃時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為490 m，軸線垂直長度為180 m。圖3b為環(huán)境溫度0 ℃時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為496 m，軸線垂直長度為175 m。圖3c為環(huán)境溫度25 ℃時(shí)的，泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為513 m，軸線垂直長度為172 m。圖3d為環(huán)境溫度35 ℃時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為523 m，軸線垂直長度為173 m。從圖3中可以看出：泄漏擴(kuò)散距離隨著環(huán)境溫度的升高而變大，溫度越高，泄漏擴(kuò)散范圍越大。但環(huán)境溫度對(duì)泄漏擴(kuò)散范圍的影響較之風(fēng)速對(duì)泄漏范圍的影響甚小。

表3 ALOHA的模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖3 不同環(huán)境溫度泄漏空間分布圖Fig.3 Leakage area of different ambient humidity

4.3 泄漏量

改變瞬時(shí)泄漏量，設(shè)置泄漏體積分別為3、6、9、12 m3，測(cè)點(diǎn)為地面上3 m?；A(chǔ)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 ALOHA的模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖4所示模擬結(jié)果為液氫在不同體積分?jǐn)?shù)中泄漏的擴(kuò)散，圖4a為泄漏3 m3時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為295 m，軸線垂直長度為96 m。圖4b為泄漏6 m3時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為392 m，軸線垂直長度為142 m。圖4c為泄漏9 m3時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為460 m，軸線垂直長度為170 m。圖4d為泄漏12 m3時(shí)的泄漏擴(kuò)散范圍：風(fēng)速軸線長度為513 m，軸線垂直長度為201 m。從圖4中可以看出：泄漏擴(kuò)散距離隨著泄漏量的增加而變大，泄漏量越大，泄漏擴(kuò)散范圍越大。

圖4 不同泄漏量泄漏空間分布圖Fig.4 Leakage area of different leakage volume

5 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

現(xiàn)場試驗(yàn)可以直觀地得出液氫蒸發(fā)擴(kuò)散后氣體的許多特征現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，成為軟件模擬的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。進(jìn)行了幾次野外小規(guī)模液氫泄漏試驗(yàn)。在砂土地面挖地修筑小水泥池(長×寬×深：0.5 m×0.2 m×0.2 m)。在池上方搭建腳手架利用氫濃度傳感器進(jìn)行濃度采集，進(jìn)行了液氫蒸發(fā)試驗(yàn)與氫氣擴(kuò)散試驗(yàn)。

5.1 18L液氫蒸發(fā)擴(kuò)散試驗(yàn)

18 L液氫泄漏在0.1 m2水泥池中，50 s全部蒸發(fā)完，環(huán)境溫度27 ℃，濕度55%，在風(fēng)速2.6 m/s的池上方1 m處采樣分析，表5給出了試驗(yàn)采樣分析試驗(yàn)值與ALOHA軟件模擬值的對(duì)比情況。

表5 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

5.2 平均排放流量1.73 m3/s氫氣擴(kuò)散試驗(yàn)

在風(fēng)速小于1 m/s、氣溫20 ℃、氣壓0.1 MPa，濕度20.8%等不利于擴(kuò)散的氣象條件下，從22 MPa高壓氫氣容器(容積4 m3)中排放氫氣(放出口直徑20 mm、離地高度0.35 m)，從閥門瞬間全開到放完時(shí)間為300 s。如圖5所示，在對(duì)稱于放出軸(順風(fēng)向)的扇形區(qū)(半徑30 m、圓心角45°)內(nèi)的不同水平距離和高度的位置測(cè)量氫氣體積分?jǐn)?shù)。表6給出了試驗(yàn)采樣分析試驗(yàn)值與ALOHA軟件模擬值的對(duì)比情況。

圖5 排放監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Figure of emission monitoring point

表6 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

Table 6 Comparison for experimental results and simulation values

試驗(yàn)條件監(jiān)測(cè)點(diǎn)123456789101112與放出軸夾角/(°)0022.522.545450022.522.54545水平距離/m101010101010202020202020高度/m310310310310510310體積分?jǐn)?shù)最大值試驗(yàn)/%0.04010.6000.6700.640.120.880模擬/%0.04501.10.70.04500.7500.730.140.750相對(duì)誤差δ/%12.5-1016.6--11-148.314.7-

通過上述兩個(gè)試驗(yàn)可看出，ALOHA軟件的模擬計(jì)算結(jié)果具有良好的精度。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于液氫蒸發(fā)試驗(yàn)，軟件模擬與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在一定時(shí)間內(nèi)小于11%，但隨著時(shí)間越長，精度越低，誤差將有可能大于11%；對(duì)于氫氣擴(kuò)散試驗(yàn)，軟件模擬與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小于17%。二者均在可接受范圍內(nèi)，整體而言，ALOHA軟件能較好地反映整個(gè)濃度場信息，模擬結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性，可應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域。

6 結(jié) 論

通過改變液氫擴(kuò)散的風(fēng)速、環(huán)境溫度和泄漏量，用ALOHA軟件進(jìn)行擴(kuò)散模擬并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得出：

(1)環(huán)境風(fēng)速對(duì)氫氣擴(kuò)散范圍影響顯著，泄漏擴(kuò)散距離隨著風(fēng)速的增大而變小，風(fēng)速越大，泄漏擴(kuò)散范圍越小。

(2)泄漏擴(kuò)散距離隨著環(huán)境溫度的升高而變大，溫度越高，泄漏擴(kuò)散范圍越大。

(3)泄漏擴(kuò)散距離隨著泄漏量的增加而變大，泄漏量越大，泄漏擴(kuò)散范圍越大。

與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)結(jié)果相比：對(duì)于液氫蒸發(fā)試驗(yàn)，軟件模擬與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小于11%；對(duì)于氫氣擴(kuò)散試驗(yàn)，軟件模擬與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小于17%。二者均在可接受范圍內(nèi)，ALOHA軟件對(duì)泄漏物的濃度場模擬結(jié)果具有良好的精度，能為液氫泄漏事故的應(yīng)急處理提供重要的理論依據(jù)。

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Numerical simulation of liquid hydrogen leakage diffusion

Fan Shuangyu He Tiantian An Gang Liu Yutao

(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China)

Numerical simulation of liquid hydrogen leakage diffusion was carried out by Aloha software. The influence of wind speed, leakage volume and environmental temperature on liquid hydrogen diffusion was investigated. The results show that the leakage diffusion distance decreases with the increase of wind speed, while increases with the increase of the ambient temperature and the leakage volume. Comparing the liquid hydrogen evaporation and diffusion with ALOHA software simulation data, it is found that ALOHA software simulation experiment results high accuracy in determining the concentration values，and is applicable for the liquid hydrogen leakage emergency accident.

liquid hydrogen leakage；diffusion scope；ALOHA; software simulation

2016-09-07；

2016-11-03

凡雙玉，女，29歲，碩士、工程師。

TB663

A

1000-6516(2016)06-0048-06