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。     

油氢合建站储氢瓶组氢气泄漏扩散行为研究

为探究油氢合建站储氢瓶组阀体面板失效后引发的氢气泄漏事故及氢气扩散行为的影响因素,根据真实场景构建等比例数值模型,针对不同泄漏源和环境风力条件下的氢气泄漏扩散过程进行了模拟研究,从事故后果角度提出了不同事故场景下的应急处置方式。结果表明,当储氢瓶组发生小孔泄漏时,氢气运动沿中心线形成欠膨胀射流,在泄漏源周围形成氢气云团高浓度分布。随着泄漏口孔径增大,短时间内氢气扩散在距离泄漏源较远区域形成具备爆炸性的混合气云团。氢气泄漏方向的改变直接影响其扩散行为的变化,促使氢气/空气混合气云团分布区域呈现显著差异。对于水平泄漏模式下的氢气扩散行为要着重考虑站内装置和设备的阻挡作用,而竖直向下的泄漏模式会造成范围更广的高浓度氢气聚集。随着环境风力的增强和站内布局复杂化,泄漏氢气在局部区域浓度升高,沿下风向水平范围的扩散半径增大,而在竖向空间的扩散高度下降,爆炸性混合气云呈现朝下风向区域移动的趋势。     

基于Fluent的氢气输运管道泄漏扩散数值仿真研究

针对高压氢气输运管道易发生氢气泄漏的特点,利用Fluent开展了高压氢气输运管道氢气泄漏的数值模拟,得到了不同环境因素下的氢气扩散结果。结果显示氢气从泄漏口处发生射流,受外界风的影响,氢气扩散区域向下风侧偏移,危险区域主要集中在泄漏口轴线下方。利用Fluent后处理估算不同时刻危险区边界,然后利用ORIGIN软件做危险区边界与泄漏时间关系图,为应急救援提供参考建议。     

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。     

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。     

石化企业毒气泄漏的数值模拟与危险性评估

针对石化企业中可能造成毒气泄漏的装置或设备,从工程实际出发,建立了3种毒气泄漏和扩散的数值模型.根据模型和给定的扩散条件,对毒气的泄漏和扩散进行数值模拟和动态仿真,得到毒气泄漏后人员死亡区域、危险区域和有感区域的动态变化结果.对石化企业有毒物质源进行毒性分级,并确定了相应的毒气泄漏危险性参数.通过给定的装置和设备泄漏危险性参数计算得到毒气泄漏的危险性矩阵,进而对石化企业有毒有害气体泄漏进行危险性评估.     

氢燃料动力船岸基式加注作业泄漏扩散模拟及影响因素分析

为保障氢燃料动力船加注作业安全,基于FLACS软件构建模拟模型,将模拟与实验结果进行对比,分析泄漏方向、大气稳定度、风速等因素对氢燃料动力船岸基式加注作业泄漏扩散的影响,并基于模拟结果划定加注作业限制区域及警戒区域。研究结果表明:FLACS模拟结果与实验结果吻合较好;大气越稳定,泄漏后的氢气云越难扩散;水平方向上,氢气云扩散距离随风速的增大先小幅增加后降低;垂直方向上,较高风速对氢气云扩散存在促进作用;建议水上加氢站的控制室在原先设计的基础上向内移动5 m以上;建议取沿船长方向125 m、沿船宽方向21 m、沿垂直方向24 m为包络线,设置加注限制区域,该区域内禁止无关人员进入,并严禁任何形式的点火源。     

基于FLACS的氢气检测器布置优化

采用某石化装置1∶1模型,以位于框架平台上的氢气分液罐泄漏为例,运用事故后果模拟软件FLACS构建计算流体力学模型并将氢气检测器设置为模型中的检测点,通过氢气泄漏及扩散过程数值模拟获得各检测点的氢气体积分数及响应时间,据此对氢气检测器的布置进行优化。主要研究成果有:1)提出氢气检测器探测效率的评价标准;2)明确工程中氢气检测器相对于潜在释放源的最优水平和竖向位置;3)给出花纹钢板和格栅板2种不同上层平台形式下氢气检测器的布置方案。     

基于后果的氢气管道泄漏典型事故风险分析

根据高斯羽流、固体火焰模型及TNT当量法,得到针对氢气的扩散、热辐射与超压的后果模型。以我国某氢气管道为例,计算求解后果模型,分析了不同泄漏孔径、不同泄漏喷射角度的氢气管道泄漏典型事故后果,并揭示氢气泄漏扩散、喷射火与爆炸演化原因。量化了氢气管道泄漏的潜在影响半径,发现氢气管道风险大于天然气管道,为氢气管道早期设计与安全运行提供了理论支撑。     

基于CFD的城市埋地天然气管道泄漏扩散数值分析

针对城市埋地天然气管道泄漏天然气扩散问题,基于计算流体动力学CFD方法建立城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模型,对天然气的主要成分——甲烷在土壤中的扩散行为进行模拟与分析,根据甲烷的爆炸极限观察天然气泄漏扩散危险区域变化,并分析不同孔隙率土壤对天然气扩散的影响。研究结果表明:埋地天然气管道泄漏气体扩散至土壤过程中,气体浓度等值线出现不规则变化,高浓度区等值线近似为椭圆,浓度梯度随时间的增加而减小,爆炸下限位置在天然气泄漏初期迅速变化,10 s后以均匀速度向地表移动;土壤孔隙率对天然气对流扩散影响显著,孔隙率越大,管道泄漏口处高浓度区域越大,中浓度区域越小,低浓度区域越容易扩展到地表,浓度梯度变化趋势相似。     

加氢站用45 MPa高压储氢瓶式容器火烧试验模拟*

为研究加氢站用高压储氢容器在火灾下的安全性能,采用计算流体力学（CFD）方法对45 MPa高压储氢瓶式容器火烧试验过程进行模拟研究,结合气瓶火烧试验,分析高压储氢容器火灾下的热响应过程,研究不同因素对储氢容器压力泄放装置动作时间的影响。结果表明:613 s以内试验压力与模拟数据的最大相对误差为3.9%,模型误差在可接受范围;不同充装介质对安全泄放装置动作时间影响不大;不同充装压力对容器内介质压升速率影响较大,充装水平较高时压力泄放装置更快动作,较低的充装压力下容器内介质温升较快;不同环境温度对介质温升影响较小。     

氢安全研究现状及面临的挑战

氢能具有储运便捷、来源多样、洁净环保等突出优点,许多国家把发展氢能作为重要的能源战略。氢安全是氢能大规模商业化应用的重要保障。在分析国内外氢安全领域近年来最新研究进展的基础上,依次从氢泄漏与扩散、氢燃烧与爆炸、氢与金属材料相容性及氢风险评价等方面,系统总结了国内外氢安全研究面临的挑战,并对我国氢安全的发展提出了建议。     

基于氢气充放试验及数值模拟的储氢气瓶安全评价

储氢气瓶是新能源汽车的重要储能设备,其可靠性直接关系到汽车的安全性。研究了不同环境温度下,35 MPa铝合金内胆车用储氢III型气瓶在充放气时的最终温度和应力分布情况,并对其安全性进行了评价。借助试验测试平台,在不同温度下进行了实际充放试验。试验过程中无漏气现象,且最终温度符合要求,表明储氢气瓶在试验条件下是安全的。由此,在获得了储氢气瓶充放时热响应规律的基础上,对不同温度下的氢气充放过程进行了数值模拟,得到其应力分布情况。结果表明,储氢气瓶复合层的应力远小于其材料抗拉强度,即内胆和复合层的强度均可视为满足要求。研究结果可为储氢气瓶的试验开展、安全评价、寿命预测提供依据。     

含氧氢气钢瓶释放过程危险性分析及处置

针对一起空气误充入氢气钢瓶而导致使用时发生多起爆炸的事故,详细分析了氢氧混合气钢瓶在释放过程中的主要危险性,对释放过程中最可能存在的点火源即静电的产生机理及静电的放电条件进行了详细的论述,应用TNT当量法对可能发生的氢气钢瓶爆炸事故的破坏强度进行了估算。针对爆炸事故的高危险性,制定了以电机作为开阀动力的远距离放空方案,并提出了接地、洒水增湿等预防静电产生的有效措施,综合考虑冲击波超压伤害和人员操作的方便,确定了合理的安全操作距离,为防止爆炸产生的碎片对周围人员、建筑的伤害,在释放场所周围及人员操作场所设置了沙包墙作为防爆掩体。     

车库内氢气扩散和分布状态的数值模拟

为研究车库内氢气连续性泄漏的浓度分布和聚集状态,采用ICEM-CFD软件建模,利用Fluent软件对氢气连续性泄漏过程进行了模拟。通过分析监测点氢气物质的量分数、氢气分布和可燃性区域体积分数,研究了横梁及其间距(L)、自然通风、通风口面积(A)对车库内氢气的扩散和分布状态的影响。结果表明:在密闭状态下,无横梁时可燃性区域最小,L=3 m时可燃性区域最大;当A=0.5 m2时,在自然通风的作用下,车库底部氢气物质的量分数明显下降,但车库中部和上部氢气物质的量分数与密闭时相近;当A=1 m2时,虽然初始阶段氢气物质的量分数上升很快,但很快就趋于稳定,监测点氢气物质的量分数均在爆炸下限以下,此时自然通风能够消除氢气爆炸的风险。     

含硫天然气净化厂硫化氢泄漏分析及对策

以川东北某含硫天然气净化厂为对象,通过分析该净化厂的处理工艺及可能造成泄漏的各种原因,确定了硫化氢泄漏危险较高的生产单元。通过工艺压力、流量、物料组分的比对,选取了脱硫单元原料气和硫磺回收单元酸性气作为模拟泄漏物料。对该厂所在地的气象条件和厂区的地形地貌进行了调查,净化厂当地近5年风速、云量统计表明低风速和多云为主导天气,将D1.5m/s作为模拟硫化氢泄漏扩散的典型气象条件。采用了美国石油学会(API)推荐地面粗糙度长度。运用PHAST软件计算了在典型气象条件下通过3种不同孔径泄漏1 min,5min和30min,形成的立即危及生命或健康(IDLH)范围。在典型气象条件下IDLH的下风向边界距离在41m至1190m范围内,以硫磺回收单元的大孔径泄漏为最远。以小孔泄漏为例模拟并讨论了风速、大气稳定度对硫化氢扩散的影响。为降低H2S泄漏风险提出了在线监测及联锁系统设置的要求,对避免和减少硫化氢中毒伤亡事故具有指导意义。     

Mechanisms of high-pressure hydrogen gas self-ignition in tubes

This paper describes a numerical and experimental investigation of hydrogen self-ignition occurring as a result of the formation of a shock wave. The shock wave is formed in front of high-pressure hydrogen gas propagating in a tube. The ignition of the hydrogen–air mixture occurs at the contact surface of the hydrogen and oxidant mixture and is due to the temperature increase produced as a result of the shock wave. The required condition for self-ignition is to maintain the high temperature in the mixture for a time long enough for inflammation to take place. The experimental technique employed was based on a high-pressure chamber pressurized with hydrogen, to the point of a burst disk operating to discharge pressurized hydrogen into a tube of cylindrical or rectangular cross section containing air. A physicochemical model involving gas-dynamic transport of a viscous gas, detailed kinetics of hydrogen oxidation and heat exchange in the laminar approach was used for calculations of high-pressure hydrogen self-ignition. The reservoir pressure range, when a shock wave is formed in the air that has sufficient intensity to produce self-ignition of the hydrogen–air mixture, is found. An analysis of governing physical phenomena based on the experimental and numerical results of the initial conditions (the hydrogen pressure inside the vessel, and the shape of the tube in which the hydrogen was discharged) and physical mechanisms that lead to combustion is presented.     

过氧化氢热爆炸研究进展

过氧化氢作为绿色环保的氧化剂,广泛应用于工业的各个领域,同时也因其热分解爆炸危险性导致了一系列严重的火灾爆炸事故。过氧化氢在高温或与一些不兼容化学物质作用下,将会激发其热危险性,进而引发热失控反应,最终导致爆炸事故的发生。结合近年来国内发生的过氧化氢热爆炸事故,简要概述了其热爆炸事故历程,并从理论研究和实验研究两个方面综述了过氧化氢热爆炸的研究进展。理论研究方面,主要介绍了化学反应失控模型和基于热动力学的研究方法,尤其对基于热失控模型的热风险评估进行了详细的阐述。实验研究方面,分析了高温条件下与杂质催化作用下过氧化氢的热危险性,包括无机杂质和有机杂质。最后就过氧化氢热爆炸的研究提出了进一步的研究方向。