大型地下车库内氢气泄漏与扩散研究

• 作 者: 黄腾
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年01期
• 基金项目: 国家自然科学基金项目（51706125;52176191）； 山东省自然科学基金资助项目（ZR2017BEE003）；

氢能作为一种来源广泛、制备方法多样以及清洁高效的可再生能源,被认为是传统化石燃料最有潜力的替代能源之一。但是,在一种能源推广应用之前应对其安全性进行充分论证,因此对氢安全进行系统、深入的研究是氢能得以大规模安全应用的必要条件。本文着眼于交通运输这一氢能应用的重要领域,针对氢燃料电池汽车在大型地下车库内意外泄漏后的扩散和浓度积累过程开展了一系列实验、数值模拟和理论研究,为制定安全规范、行业标准和预防措施提供了科学依据。本文建立了用于模拟地下车库内燃料电池汽车氢气意外泄漏和扩散的模化实验系统,出于安全角度考虑使用氦气代替氢气进行实验,以完善大型地下车库中氢气扩散领域的研究,为相关的理论研究和数值模拟研究提供数据支持,并获得了大型地下车库内氢气泄漏与扩散的相关规律,为受限空间内氢安全的研究提供理论依据与数据支持,为传感器布置等安全防护措施的实施提供一定的参考。结果表明,对于具有较大长度/高度尺寸比例的大型地下车库,顶部混合气体层内氦气浓度在水平方向上随扩散距离增大而呈幂律曲线衰减。停止泄漏后,氦气浓度随归一化时间的衰减也符合幂律曲线衰减规律。气体泄漏时的初始前沿速度和停止泄漏后的终止前沿速度均随扩散距离而降低,且初始前沿速度低于终止前沿速度。另外,测量结果证明浓度场在不同泄漏流量下具有自相似性,因此可以将模化实验的结果推广到更多的流量条件下。对实际尺寸地下车库内的氢气泄漏和扩散过程进行了数值模拟,以提供有关大型地下车库内氢气扩散特性的更多细节,完善大型地下车库内氢气的扩散规律,并为后续的理论研究提供更多的数据支撑。首先使用实验数据验证了模拟方法的合理性。通过分析数值模拟结果,总结了氢气浓度分布规律,归纳了表征氢气浓度场演化过程的无量纲关联式;对比了泄漏位置对浓度分布的影响,结果表明相同的氢气浓度分布规律可用于描述发生于不同位置处的泄漏;分析了通风布局对车库内氢气排出效率的影响,结果表明在通风量、通风口面积和通风口数量均相同的条件下,在车库角落布置有通风口的通风布局除氢效果最好。使用无量纲关联式构建了用于预测地下车库内氢气浓度分布演化过程的工程模型,可根据车库尺寸、泄漏流量、泄漏位置和泄漏时间等条件快速计算不同时刻车库天花板处的氢气浓度分布。应用针对小型受限空间开发的理论模型预测氢气的浓度分布,通过适当调整使之可用于预测地下车库等大型受限空间中的氢气分布。提出了简化理论模型求解混合气体层的厚度及其中的平均氢气浓度,结合无量纲关联式可求解车库天花板处的氢气浓度分布。工程模型和理论模型结合自行编写的绘图程序均可快速准确地获取氢气浓度分布云图,相比于数值模拟方法大大提高了计算效率。