车载储氢瓶泄漏及车库内通风方式研究*

为研究车库内燃料电池汽车氢气意外泄漏后的浓度分布情况,采用ANSYS软件,通过分析可燃性气体体积、水平方向和垂直方向氢气的扩散分布、不同泄漏位置氢气的扩散情况,研究6种不同通风方式对氢气意外泄漏扩散分布的影响,针对车库内氢气泄漏的特性,在通风方式上引入侧墙底部送风和侧墙顶部送风方式。研究结果表明:底部送风能显著加快氢气的扩散和排出。垂直高度上氢气浓度分布不均,侧墙顶部送风能使顶部堆积的氢气向下扩散,降低最大气体浓度;在墙角泄漏会由于墙壁的影响导致氢气堆积,对墙角局部通风尤为重要。研究结果可为氢燃料电池汽车专用车库的通风设计提供重要参考。     

室内氢气泄漏扩散的数值模拟

氢能是有发展前景的新型能源之一,氢气的安全储存是氢能应用必须解决的问题。本文建立了基于大容量金属储氢装置的室内氢气泄漏扩散模型,利用计算流体力学软件FLUENT,对室内储氢罐的泄漏扩散过程进行数值模拟,得到了氢气泄漏扩散的速度分布、浓度分布。分析数值模拟结果,得出在该模拟条件下,氢气泄漏时的流动状态为射流湍流;泄漏后上浮扩散,空间密闭时积累于室顶;通风条件下大部分区域的氢气浓度仍然高于安全限值。通过数值模拟,总结出氢气在室内环境下的泄漏扩散规律,可为氢气泄漏事故的处理消防安全设置提供依据。     

高压储氢系统泄漏爆炸事故的动力学演化

为研究燃料氢气泄漏、爆炸的特性和规律,预防高压储氢系统中氢气泄漏爆炸事故发生,以加氢站为背景,数值仿真45 MPa高压储罐氢气泄漏并引发爆炸事故,分析泄漏爆炸动力学性质以及爆炸波在非均匀氢气浓度中的传播机制。同时,基于泄漏爆炸事故演化的力学机理,开展氢气泄漏爆炸动态风险分析,针对氢气不同泄漏量,建立泄漏扩散形成的气云体积、气云爆炸产生的冲击波与空间x,z方向上危害距离之间关系。研究结果表明：氢气泄漏过程中,气云氢气浓度变化与流场雷诺数具有较好一致性;氢气扩散受到高压储氢罐周围装置影响,流场中氢气浓度分布不均匀;当发生燃烧爆炸事故时,冲击波参数和湍动能变化梯度大;得到复杂布局区域冲击波超压峰值与比例距离之间关系式,其相比于理论方法更精细、计算结果更准确。研究结果可为降低高压储氢系统泄漏爆炸事故后果、采取有效防护措施提供一定依据。     

低压氢气-空气混合物爆炸试验研究及数值模拟

为了预防或控制密闭容器内氢气爆炸事故,运用20 L密闭球形容器试验研究不同初始低压(0.025~0.1 MPa)下氢气-空气混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率;并采用Fluent数值模拟软件,通过标准k-ε湍流模型和概率密度函数(PDF)燃烧模型,模拟不同初始压力下氢气-空气混合物燃烧过程,直观再现不同初始压力下火焰传播过程及流场扰动状况。研究表明:氢气体积分数一定时,氢气-空气混合物的最大爆炸压力和最大压力上升速率与初始低压均成线性关系;初始压力从0.1MPa降低至0.025 MPa,最大爆炸压力降低75.1%~75.9%,最大压力上升速率降低77.1%~83.7%。另外,初始压力降低,火焰前沿到达器壁的时间变长。     

基于FLACS的化工园区公共管廊事故后果模拟

针对化工园区公共管廊的特点,利用FLACS软件对上海化学工业区内的公共管廊进行三维建模,在考虑风场、建筑物等因素影响的基础上,模拟了丙烯和氢气管道的介质泄漏扩散及爆炸事故,分析了特定场景中的可燃云团扩散过程、爆炸冲击波发展规律及后果严重程度。研究结果表明,丙烯和氢气管道发生泄漏后都可能引发气云爆炸,且通风状况越差、障碍物越多,爆炸冲击波的破坏作用越强。当管内介质为丙烯时,爆炸后果影响较轻;而管内介质为氢气时,爆炸会对周围建筑物和人员造成较大的破坏,且局部区域存在较高的爆炸超压值。模拟结果为公共管廊的规划布局、事故预防、安全管理等提供了理论指导。     

障碍物对居民户内燃气泄漏扩散特征影响研究

为研究障碍物与泄漏口间距对居民户内天然气泄漏浓度场分布的影响,进而为居民户内燃气事故的安全防控提供技术支撑,本文采用CFD软件对天然气泄漏在障碍物与泄漏点间距不同情况下形成的浓度场、可燃区域进行模拟计算,分析其对燃气扩散特征的影响。结果表明:当厨房内放置障碍物,且障碍物距泄漏口20cm时,爆炸危险区域面积出现速度明显提升,相同时间条件下,障碍物距泄漏口20cm时形成的爆炸危险区域面积最大,比无障碍物组高出26%;相同时间条件下,障碍物距泄漏口2cm与障碍物距泄漏口20cm、无障碍物2种情况相比,形成的爆炸危险区域面积更小。爆炸危险区域差值最大时,比障碍物距泄漏口20cm情况下降低95%,比无障碍物情况下降低90%。     

不同风速作用下半水煤气泄漏的数值模拟

针对氮肥工业半水煤气泄漏问题,以计算流体力学(CFD)和燃烧爆炸理论为基础,运用FLUENT软件对半水煤气在不同自然风风速作用下的扩散情况进行了模拟分析.通过比较下游半水煤气各组分体积分数来判断半水煤气的危险爆炸范围以及致死浓度区域.结果表明,当风速为0.5 m/s时,泄漏的危险性气体在自身动量和浮力的作用下缓慢扩散,能够达到爆炸极限或者致死浓度的范围均较小;而当风速达到5 m/s时,圆柱绕流产生的漩涡开始脱落,并携带大量有害气体向下游扩散,致使发生爆炸危险性的区域和致死浓度区域均有所扩大;当风速继续增大到10 m/s时,可能发生爆炸的区域和致死浓度区域范围因空气的稀释作用增强而减小.     

密闭空间燃气泄漏爆炸危险区域迁移规律

为了给室内燃气泄漏爆炸事故的预防和事故后果评价提供理论依据,借助计算流体力学技术,对密闭空间内燃气泄漏扩散的非稳态流场进行了数值模拟,着重考察了燃气爆炸危险区域随时间和空间的分布特征。研究结果表明,在泄漏初始阶段,爆炸危险区域位于泄漏源上部。随着泄漏和扩散的持续发展,爆炸危险区域整体下移,最终迁移至地面附近。爆炸危险区域范围随时间由小变大,再由大变小。爆炸危险区域在房间下部的持续时间明显长于房间中上部。     

管道氢气-空气预混气体爆炸特征的试验研究

为研究管道内氢气与空气预混气体的爆炸规律,使用尺寸为150 mm×150 mm×1000 mm的方形透明管道,通过试验观测了氢气体积分数从10%到40%的爆炸火焰形状、传播速度与压力变化规律。火焰传播与压力分别由高速摄像机与压力传感器记录测量。结果表明,爆炸火焰特征及压力变化受氢气体积分数的影响很大。火焰在管道内的最大传播速度及压力峰值随氢气体积分数增大而急剧增大。最大火焰传播速度由18.3 m/s增大到304.2 m/s,传播时间由123.5ms缩短到10.5 ms。压力峰值由2.95 k Pa增大到34.06 k Pa。当氢气体积分数为25%及以上时,火焰速度持续上升,没有出现郁金香火焰,压力波先出现短时间强烈正负压振荡,后长时间微小振荡。火焰特征、传播速度、压力变化及爆炸响声均能够很好地反映氢气爆炸的强度。     

隧道内氨气泄漏扩散分布特征数值模拟

为分析运输过程中液氨罐车在隧道内泄漏的危险性,利用Fire Dynamics Simulator(FDS)软件模拟氨气在隧道内的扩散过程,发展了隧道内氨气泄漏扩散体积分数分布特征经验公式。采用大涡模拟处理湍流流动,以便兼顾计算精度和计算效率。考虑储罐车发生泄漏后停止不动,液氨在泄漏瞬间转变为气体,模拟在连续点源泄漏情况下的氨气射流及扩散过程。结果表明,高体积分数危险区域主要集中在隧道顶棚附近,更高截面的体积分数处于爆炸极限的区域更长。泄漏源与洞口之间的隧道中段区域的体积分数梯度相对两端较小,此中段区域也是人员安全高度截面最高氨气体积分数发生位置。最大泄漏量情况下氨气在沿纵向扩散过程中平均运动速率保持在0.63~1.06 m/s,扩散速率随纵向距离增加而降低。顶棚氨气体积分数升高程度随纵向距离增加呈幂函数降低,体积分数沿纵向衰减规律适用于其他泄漏量的情况。后期工作可考虑开展缩尺试验,并同时考虑通风条件等因素对氨气泄漏扩散的影响研究。发展的氨气在隧道内泄漏扩散的体积分数分布经验公式可为氨气事故后果评价、应急处置等工作提供参考。     

Analyzing effective factors on leakage-induced hydrogen fires

Currently, novel energy resources are receiving increasing attention as a response to the limitation in fossil fuels as well as their adverse effects on human health. Hydrogen, one of the most abundant elements on the earth, can be regarded as a new energy source to replace fossil fuels. Therefore, safety assessment of the relating processes is very crucial by increasing use of hydrogen as a fuel source. In this regard, consequence analysis for risk assessment and power reduction is very important. The present study aims at modeling hydrogen dispersion along with consequence analyses for such events as jet fire and flash fire. The model was validated by using the data derived from a study on hydrogen leakage in supply pipelines in the laboratory of the University of Pisa. Modeling results reveal that ambient conditions will impose a milder impact on leakage consequences if internal pressure is high in release source. The safe distance was also estimated to be 14 m. Dispersion consequence modeling was performed, followed by the evaluation of the effect of environmental (i.e., stability, ambient temperature, surface roughness, wind speed, and humidity) and process (i.e., vessel temperature and pressure, leakage diameter, and releasing point height) parameters on maximum size flammable vapor cloud and maximum level jet fire radiation on the ground. The size of flammable vapor cloud (consequence dispersion index) and the maximum flux of radiation were affected by process parameters more than ambient parameters. Leakage diameter and the vessel pressure were found to have the highest impact on the operational parameters.     

可燃气体储罐区泄漏危险性定量分析

对位于某城市中心附近的可燃气体储罐区的气体泄漏危险性进行了分析,求出了下风向最大可燃范围和中毒范围.进行灵敏度分析以便识别风速、泄漏面积对泄漏危险性的影响.分析结果显示,风速、泄漏面积对泄漏危险性有显著影响.随着泄漏面积增大,下风向最大可燃范围增大;随着风速的增大,下风向最大可燃范围则减小.最后提出了若干安全措施的建议.     

强制通风下炼钢厂工作场所煤气泄漏扩散研究

为探索在强制通风条件下,炼钢厂工作场所煤气泄漏后在车间内的扩散规律和影响范围,以某炼钢厂为例,建立煤气泄漏扩散数学模型;对其离散格式、边界条件设定和气体性质定义;采用计算流体力学方法模拟煤气泄漏后CO的浓度变化过程以及不同监测点的CO浓度变化分布规律。模拟结果显示:在相同风压下,随着通风时间的增加,CO在呼气带的浓度逐渐降低;随着通风压力的增加,CO在呼气带的浓度降低得更快,特别是在泄漏停止后,通风压力的增加,使空气对流加快,新空气的进入使CO得到迅速的稀释;当通风压力从2 MPa到6 MPa递增时,距离地面1.5 m处6个水平监测点上CO浓度随时间变化无数量级差异;通过0.4 MPa和0.6 MPa压力的对比分析可以看出,0.6MPa通风压力具有明显的趋势变化。     

燃料车内氢气泄漏扩散数值模拟研究

基于FULUENT软件的物质传输与反应模块,建立了燃料车内氢气泄漏扩散的数值计算模型.应用模型对储气瓶不同位置的泄漏扩散进行了数值计算,得到了氢气在车内泄漏扩散后的危险区域分布情况.结果表明:氢气瓶上方挡板位置是氢气泄漏扩散后的高浓度区域,泄漏后的氢气在该处容易发生积聚.研究结论可以为车内预警用氢气监测传感器的放置以及氢燃料车的安全设计提供参考.     

可燃制冷剂泄漏及爆炸危害评价的研究

建立了计算可燃工质泄漏后在房间内可燃工质浓度变化的模型。计算结果表明,小型空调器可燃工质泄漏引发的爆炸隐患仅局限于空调系统附近的局部区域内。用压力－冲量准则,对可燃工质泄漏产生的最大爆炸当量、危害范围与危害等级进行分析研究。结果表明,使用充装量很小的可燃制冷剂,泄漏产生爆炸的危险性很小,火灾隐患是主要的。     

天然气输送管道泄漏事故危害定量分析

针对某市天然气利用工程中高压输送管道可能发生的天然气泄漏的危险性进行分析 ,求出了其最大的泄漏流量。通过高斯扩散模式定量计算在大气为中性条件下 ,天然气在大气中的轴向、径向和切向的扩散距离 ,从而计算出该天然气 -空气混合云团的体积。对该体积预混云团的火灾危害进行评估 ,计算形成火球的参数 ,用热辐射剂量准则计算其伤害半径。对该预混云团可能产生的爆轰后果 ,采用超压准则计算其对人员和建筑物的伤害半径。并用热辐射强度准则对可能产生稳态燃烧进行了危害半径的计算     

A preliminary explore to the forced ventilation on the toxic gas release/dispersion and the hazard mitigation within a petrochemical plant

More than thirty-five years ago, the Bhopal disaster shook the whole world and investigators found out that many people survived just because they turned on the fans in their bedrooms. It was postulated that the forced ventilation played an important role in diluting the toxic gas and saved these people. In order to provide evidence to solve this old mystery, this research employed FLACS software to assess the hazardous degree of a toxic gas (hydrogen sulfide) leakage within a petrochemical process. Series of gas dispersion simulations were performed to actualize the hazardous characteristics and the corresponding risks of the release accident. The study shows that the hazardous level and the hazard range can be greatly influenced when parameters, such as the gas leakage circumstances (atmospheric conditions and wind speed) and the mitigation measures (direction of fans and their speed) are altered.By using explosion-proof fans in different positions and ventilation directions, combined with the natural wind in a certain direction, this research attempts to detect the best combination from various mitigation designs and to compare the influence of fan directions on hazard mitigation. It is also the first time of its kind to simulate the effect of forced ventilation on hazard mitigation within a process plant. The results show that the hazardous level of a toxic release can be effectively alleviated, when the direction of the mechanical ventilation is against the natural wind direction. With the help of the CFD simulation and the quantitative risk analysis technique, different loss prevention strategies can be tested via this method in order to establish a safer working environment.     

城市综合管廊燃气舱室输气管道泄漏扩散规律研究

为了掌握输气管道在城市综合管廊舱室泄漏扩散的基本规律,采用FLUENT软件,针对管廊正常通风—泄漏报警—事故通风—警报解除的全过程进行动态分析。首先在正常通风速度建立的稳态风场中,模拟天然气在不同管输压力下发生小孔泄漏后的报警时间,根据首个响应的报警器的位置判断泄漏源位置。结果表明,当泄漏孔径为20 mm,通风速度为1.92 m/s,且泄漏源处于2个报警器中间时,管输压力为200,400,800 kPa时对应的报警时间分别为10.4,6.7,4.5 s。事故通风速度下,对不同管输压力的天然气扩散进行分析,当天然气朝逆风侧扩散时,随动量逐渐减小而到达不同的边界坐标。同时,环境大气压的降低不仅会缩短报警器的首次报警时间,还能延长总扩散距离。预测所得的天然气爆炸上下限浓度区移动速度有助于动态了解处于爆炸上下限浓度之间气体的实时位置。解除报警时间与进风口风速呈近似线性关系,可为现场救援队伍选择经济通风量提供理论指导。     

海底管道泄漏油气扩散规律数值仿真与对比分析

为研究海底原油与天然气单相泄漏扩散规律的差异性,合理制定应急响应策略,减小事故损失,针对海底管道失效所致的原油与天然气泄漏问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立海底油气管道泄漏事故后果预测与评估模型,对特定事故场景下的海底原油与天然气泄漏扩散过程进行模拟与分析,从泄漏扩散过程、工况因素影响、泄漏后果及应对策略4个方面对比原油与天然气的泄漏扩散特性。结果表明:相同工况下,海底原油与天然气在泄漏速率、扩散时间、扩散形态及水平最大扩散距离方面存在显著差别;与天然气相比,原油泄漏扩散行为对工况因素具有更高的敏感性;原油泄漏会引发严重的环境灾害,天然气泄漏则会影响海上结构物的稳定性及引发火灾爆炸事故,据此需合理制定具有针对性的应对策略。