大規(guī)模液氫泄漏擴散的數(shù)值模擬與影響因素分析.pdf

1、氫作為一種重要的清潔能源，在化工、清潔能源以及航天推進等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于氫的大規(guī)模儲存、運輸和應(yīng)用，以低溫液氫的形態(tài)比能量密度較低的常溫氣氫更為經(jīng)濟可行，有望得到快速發(fā)展。然而，一旦儲存的液氫發(fā)生泄漏，可能會在周圍地面形成低溫液池，而快速蒸發(fā)形成的氫氣會發(fā)生積聚而形成易爆混合氣體，這對周圍人群和環(huán)境構(gòu)成巨大的潛在威脅，特別像在作為航天推進劑使用時的大規(guī)模液氫儲罐，其后果尤為嚴(yán)重。就大規(guī)模液氫的泄漏擴散過程開展數(shù)值模擬研究，

2、對于掌握大規(guī)模液氫的泄漏擴散機制、制定應(yīng)急預(yù)案、劃定緊急疏散區(qū)域、評估事故危害后果等都有非常重要的現(xiàn)實意義。
　　本文在綜合分析國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，建立了基于CFD軟件FLUENT的大規(guī)模液氫泄漏擴散過程的數(shù)值模型。由于風(fēng)對于氫氣在大氣中的漂移和擴散有著重要影響，有必要對液氫泄漏源附近的風(fēng)場先進行模擬與分析。因此，相關(guān)模擬研究分成兩個階段進行，第一階段是對大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)場進行穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，得到大空間范圍內(nèi)風(fēng)場的模擬數(shù)據(jù)

3、，第二階段則利用第一階段的數(shù)值模擬結(jié)果作為初始條件，對大規(guī)模液氫的泄漏過程進行非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬。
　　在風(fēng)場模型的建立過程中，通過分析風(fēng)的基本特性和脈動風(fēng)的主要屬性，確定平均風(fēng)剖面的數(shù)學(xué)表達形式以及風(fēng)的湍流參數(shù)，并利用用戶自定義程序?qū)︼L(fēng)的參數(shù)進行定義。在確定模型的計算流域并對計算流域進行網(wǎng)格劃分之后，選擇Realizable k-ε模型作為風(fēng)場的湍流模型，對大空間范圍內(nèi)的風(fēng)場進行了模擬。
　　以風(fēng)場的模擬結(jié)果作為初始條件，繼

4、而進行大規(guī)模液氫泄漏和擴散過程的數(shù)值模擬。采用Mixture模型作為多相流模型，結(jié)合實驗中的地面情況，按照砂石的物理性質(zhì)確定下表面為恒溫的地面條件，對液氫的泄漏和擴散過程進行非穩(wěn)態(tài)模擬。通過與NASA的實驗結(jié)果之間的對比，對模型的準(zhǔn)確性進行驗證，模擬結(jié)果對氫氣擴散的動態(tài)變化過程進行形象的展示。
　　基于已經(jīng)構(gòu)建的大規(guī)模液氫泄漏擴散模型，著重對風(fēng)溫、風(fēng)速、地面溫度、地面粗糙度、液氫泄漏速率、泄漏出口的空化率等六個因素的改變對于大規(guī)模