【摘 要】
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随着全球工业化进程的持续发展,能源短缺和环境污染问题日益严重。氢气具有来源广泛、清洁高效等优势,是一种具有广泛应用前景的替代能源。然而氢气易燃易爆,在空气中的可燃范围较宽,必须重视氢能使用过程中的安全问题。研究氢气泄漏扩散及燃烧行为,可为事故应急处理和完善安全规范提供必要的科学依据。本文利用实验研究、数值模拟、数学建模等手段系统地研究了常温和低温压缩氢气的泄漏及射流火焰问题。依托德国卡尔斯鲁厄理工
【基金项目】
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国家自然科学基金:低温压缩氢射流及点燃的实验和理论模型研究,项目号:52176191； 国家自然科学基金:圆形/非圆形截面喷嘴高压氢气泄漏射流的实验与模型研究,项目号:51706125； 山东省自然科学基金:高压氢气泄漏理论模型和数值模拟研究及实验验证,项目号:ZR2017BEE003；
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随着全球工业化进程的持续发展,能源短缺和环境污染问题日益严重。氢气具有来源广泛、清洁高效等优势,是一种具有广泛应用前景的替代能源。然而氢气易燃易爆,在空气中的可燃范围较宽,必须重视氢能使用过程中的安全问题。研究氢气泄漏扩散及燃烧行为,可为事故应急处理和完善安全规范提供必要的科学依据。本文利用实验研究、数值模拟、数学建模等手段系统地研究了常温和低温压缩氢气的泄漏及射流火焰问题。依托德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的实验平台,进行了常温高压氢气稳态和动态泄漏实验。稳态泄漏实验中,测量了氢气射流的速度和浓度分布,以及点燃后稳态射流火焰的可见长度,为验证数值模拟的准确性提供了数据支撑。在此基础上对不同滞止压力和喷嘴直径的稳态水平射流火焰进行数值模拟,提出了火焰可见长度的经验关联式;进而针对由于浮升力作用向上方弯曲的温度场定义了射流火焰轨迹线,分析了轨迹线位置、沿轨迹线温度分布和径向温度分布,并分别拟合提出了经验关联式;最终基于模拟结果,采用统计回归方法建立了高压氢气水平射流火焰温度场的数学模型。该模型可以快速准确地计算水平射流火焰温度场,显著提高工程应用中的计算效率。动态泄漏实验中,首先测量了固定容积储罐内的滞止压力随时间的变化,基于范德瓦尔斯气体状态方程,提出了一个完整预测高压氢气泄漏过程中滞止参数、出口气流速度及流量变化的热力学模型;然后在氢气泄漏后射流中心线的特定位置点火,利用背景导向纹影（BOS）技术记录了不同实验条件下火焰在湍流射流中的动态传播过程,研究了初始压力、泄漏口径和点火位置对火焰传播速度的影响。基于实验结果,对高压氢气动态泄漏及延迟点燃后的火焰传播过程进行了数值模拟,分析了涡耗散燃烧模型（EDM）系数对计算火焰在氢气湍流射流中传播的影响,结果表明,火焰传播速度随着模型系数B1的增加而加快,通过调整模型系数B1,模拟结果与实验结果可以得到很好的吻合。实验和模拟研究为揭示氢气火灾时空演化规律提供了科学依据,为提高燃烧模型计算精度提供了新思路。基于美国桑迪亚国家实验室低温压缩氢气泄漏及燃烧实验数据,通过数值模拟研究了低温压缩氢气射流和射流火焰。模拟结果发现了低温氢气射流的浓度、温度和速度分布的自模性规律;揭示了质量流量相同时低温压缩氢气射流火焰可见长度大于常温氢气射流火焰的特性,并提出了火焰可见长度与质量流量的经验关联式;分析了低温氢气水平射流火焰的温度分布特性,发现火焰轨迹线最高温度点的位置与常温氢气相比更靠近喷嘴出口,径向温度分布规律与常温氢气射流火焰基本一致。研究结果可为修订低温氢安全规范提供科学依据。
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