液氢泄漏扩散规律研究现状

李 渊, 陈景鹏, 崔村燕, 李晓勇, 李明泽

(1.装备学院研究生管理大队,北京101416; 2.装备学院航天装备系,北京101416)

液氢泄漏扩散规律研究现状

李 渊1, 陈景鹏2, 崔村燕2, 李晓勇1, 李明泽1

(1.装备学院研究生管理大队,北京101416; 2.装备学院航天装备系,北京101416)

针对液氢贮存和传输过程中容易发生泄漏的特点,介绍了国内外开展液氢和氢气泄漏扩散规律研究的现状,归纳总结了此研究领域的研究方法及主要研究成果,为航天发射场液氢的存储与输运危害分析和安全防护提供借鉴。

液氢;存储;泄漏;扩散;综述

液氢作为一种无色无味、高能、低温液体燃料,在航空航天领域得到了广泛应用。但是,液氢具有超低温(-253℃)、易汽化、易燃和易爆等特性,一旦泄漏极易发生爆炸。对以液氢液氧为推进剂的运载火箭来说,液氢泄漏主要原因有2个：一是液氢贮箱、传输管路、阀门等处内外温差极大,致使材料发生变形产生缝隙而造成的泄漏;二是火箭未能按时发射时,在氢排管对接过程中产生的泄漏。前者的缝隙一旦产生,在短时间内不会扩大,因而在研究泄漏扩散规律的过程中通常把其等效为一定面积的圆孔;在氢排管对接过程中所产生的缝隙大小则随着对接口打开及关闭的过程而发生动态变化,在研究时必须考虑对接口的实际结构及打开到闭合之间的时间长短。但无论哪种情况,只要局部氢气浓度超过4%,都有可能发生爆炸,是重大的安全隐患。因此,研究液氢的泄漏扩散规律是保证航天发射场任务顺利实施、提高航天发射场安全的关键研究内容。

1 实验研究

氢通常以液态的形式存储,而液氢极易汽化成氢气,因此很多机构主要从液氢和氢气的泄漏2个方面开展实验研究,比如NASA[1]、欧盟氢安全协会[2]、美国联邦矿务局[3-4]、美国火灾科学国家重点实验室[5]、美国国家标准技术局[6]。

在液氢泄漏方面,欧盟氢安全协会主要研究液氢泄漏后建筑物附近液氢的扩散、蒸发、氢气云团的形成规律。美国联邦矿务局主要是针对管道破裂时液氢的泄漏扩散规律开展研究。NASA研究了液氢泄漏后液池以及液池蒸发、扩散、氢气云团的形成规律,同时还考虑了大气稳定度对氢气云团的影响,相对于欧盟氢安全协会及美联邦矿务局的研究,NASA的研究较为全面、系统。在氢气泄漏方面,美国国家标准技术局用氦气代替氢气采用缩比实验的方法研究了氢气的扩散规律,由于氦气密度比氢气大,研究成果与真实的泄漏还存在差距。美国火灾科学国家重点实验室研究了氢气在垂直罐中的扩散规律,获得了大量的实验数据,为下一步的研究提供了参考。

从目前所获文献来看,NASA和美国火灾科学国家重点实验室针对液氢以及氢气的泄漏研究比较全面,我国还未开展相关的实验研究,下面重点分析这2个机构的实验研究成果。

1.1 液氢的泄漏研究

NASA在墨西哥沙滩上做了液氢大量泄漏的实验,目的是观察当液氢大量、迅速泄漏时,氢气云团的形成、扩散过程。他们设定体积为5.7 m3(402 kg)的液氢泄漏到直径为9.1 m的池塘中,持续泄漏时间为35 s,池塘底部厚度约为60 cm的黏土,如图1所示,9个19.5 m高的监测塔位于下风向,主要测量氢气云团的温度、浓度值;同时还考虑了大气稳定度(B、D、F)对氢气扩散的影响。

图1 各个监测塔示意图

液氢迅速泄漏时,在泄漏源附近会形成液池,如图2所示,形成的液池半径在2～3 m内,之后液氢会迅速汽化形成氢气云团。监测点1处获氢气浓度值随时间的变化如图3所示。由分析可知,液氢泄漏后会吸收地面和周围空气的热量,吸收的热量会促使液氢迅速汽化,之后扩散形成危险的浓度区域。此时由于浮力的影响,氢气会在空气中飘浮更长时间,大气湍流成为影响氢气云团扩散的主要因素。

图2 液池半径范围

图3 监测点1处H2浓度随时间变化趋势

1.2 氢气的泄漏研究

1988年,美国火灾科学国家重点实验室Shebeko等人[7],对封闭空间氢气的泄漏扩散做了实验研究。该实验取高5.5 m,直径2.2 m的垂直罐[8],该罐中最初充满了空气,大气压力为101.325 k Pa,温度为20℃,氢气垂直向上泄漏,泄漏速率为4.5 L/s,持续泄漏60 s,泄漏孔径为10 mm,泄漏速度为58 m/s。沿着垂直罐的轴线设置6个监测点,其位置离罐顶的距离依次为l1=0.14 m,l2=1.00 m,l3=2.00 m,l4= 2.83 m,l5=3.91 m,l6=5.27 m,实验得到的数据如表1所示。

表1 实验数据

从表1中可以看出,氢气泄漏后主要在顶部积聚,经分析可知,刚开始射流动能是影响氢气扩散的主要因素,最后阶段浮力成为氢气云团形成的主要影响因素。

2 数值模拟研究

用实验的方法研究液氢和氢气泄漏,耗费资金大,危险性较高,不能大量开展。因此,国内外机构和学者针对液氢以及氢气的泄漏扩散开展了大量数值模拟研究。

美国国家科学研究中心[4]和Gexcon实验室[9-10]针对液氢的泄漏问题都开展了数值模拟研究,前者研究表明,液氢泄漏后泄漏源类型和来自地面的热量是影响液氢蒸发扩散的主要影响因素,后者是针对1980年NASA开展的液氢泄漏实验进行的数值模拟研究,作者将模拟结果与实验数据进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可行性。因此,Gexcon实验室的研究成果可信度更高。

美国国家标准技术局主要针对氢气在封闭空间的扩散规律开展了数值模拟研究,考虑了封闭空间中顶部开放和顶部封闭对氢气扩散的影响。我国国防科学技术大学余照[11]对氢气泄漏扩散非稳态流场进行研究,分析考虑了封闭空间单通风口情况下对氢气的扩散影响。印度理工学院[7,12]针对美国火灾科学国家重点实验室在1988年开展的氢气泄漏实验进行了数值模拟研究,分析了影响氢气扩散的主要因素,并将模拟和实验所获数据进行比对,结果表明,计算结果与实验数据吻合良好。

上述分析表明,Gexcon实验室和印度理工学院开展的数值模拟研究比较全面和精确,下面就针对这2个机构的数值模拟研究成果开展具体分析。

2.1 液氢的泄漏

美国Gexcon实验室Prankul Middha等学者针对1980年NASA关于液氢泄漏的实验开展了相关的数值模拟研究[5,13]。他们建立x=130 m、y=60 m、z=40 m大小的三维数值模型用于模拟液氢的泄漏,三维区域离散成50 0000个网格区域,假设液氢泄漏速率为9.5 kg/s,泄漏孔径不变,泄漏到直径为9.1 m的池塘中,风速沿着x轴方向、大小为2.2 m/s,周围环境温度为15°C,则泄漏源坐标为(0,0,0)。

数值模拟结果和NASA的实验数据进行对比如图4所示。

图4 液池半径的模拟和实验数据对比分析图

模拟所得液氢泄漏后液池半径范围和实验得到的半径范围基本接近,由此验证了数值模拟方法用于液氢泄漏扩散研究的可行性。

数值模拟得到了在y=0 m、泄漏20 s后, 3种大气稳定度(B、D、F)下氢气云团的浓度云图,如图5所示,不同的大气稳定度会形成不同的氢气云团,当大气稳定度小时,氢气和周围的大气迅速混合形成氢气云团,当大气稳定度变高时,大气湍流度会减小,同时导致氢气不能很好地和大气混合形成氢气云团。即,液氢泄漏后,大气稳定度对氢气云团的形成发挥着重要作用。

图5 不同大气稳定度下氢气云团的扩散过程

2.2 氢气的泄漏

2012年,印度理工学院Dewan A等人[7,14]针对1988年Shebeko et al等人开展的封闭空间氢气泄漏实验做了相关的数值模拟,模拟所用几何模型如图6所示。

图6 几何模型示意图

氢气泄漏60 s之后,氢气在封闭空间中的体积分布如图7所示。最初,由于氢气的射流动能促使氢气迅速扩散直至罐顶;之后,射流动能对氢气扩散影响很小,浮力成为影响氢气扩散的主要因素。氢气一旦扩散至罐顶,则开始水平扩散,占据罐顶下部的空间。氢气扩散稳定后,在罐顶形成了稳定的可燃危险区域,由于氢气密度小于空气,当氢气发生泄漏后危险区域始终在罐顶积聚。

图7 氢气云图

为进一步研究氢气的泄漏扩散机理,Dewan A等人采用不同的湍流模型和壁面函数开展了氢气泄漏的数值模拟研究,并将模拟结果与Shebeko等人开展的氢气泄漏实验数值进行了对比分析[15]。如图8所示,运用不同数值模型模拟得到的结果偏差较大,而运用Realizable k-ε模型结合增强型壁面函数模拟得到的结果与实验数据吻合很好。经分析,偏差较大是由于建模时由轴对称和各向同性假设造成的。在开展高速湍流研究时,k-ε模型结合增强型壁面函数可以得到精确地模拟结果。

图8 模拟结果与实验数据对比分析图

3 结束语

国内外学者运用实验和数值模拟方法针对液氢和氢气的泄漏开展了研究,获得了很多研究成果和认知,可归纳为如下几点：一是液氢大流量泄漏时将形成液池,影响液氢扩散的主要因素是从地面吸收的热量和大气湍流,吸收地面热量迅速汽化扩散形成危险的氢气云团,以此为依据,可预测危险区域范围。二是氢气发生泄漏的扩散可分为2个阶段,第一个阶段,射流动能是影响氢气扩散的主要因素;第二个阶段主要影响因素是浮力。三是数值模拟可以作为一种可靠的研究方法用于液氢和氢气泄漏扩散规律的研究。

述针对氢泄漏规律的研究,都是将泄漏孔径等效为圆孔,然而火箭贮箱氢排管对接过程中的泄漏缝隙会随着对接机构的运动发生动态变化。因而为全面评估液氢泄漏的危害性,必须在国内外相关研究的基础上,建立合理的研究方法和方案,以研究液氢泄漏的真实规律。

References)

[1]WITCOFSKI R D.Dispersion of flammable clouds resulting

from large spills of liquid hydrogen[C]//National Aernautics and Space Administration,United States.NASA Technical Memorandum,National Aernautics and Space Administration,United States,1981：284-298.

[2]STATHARAS J C,VENETSANOS A G,BARTZIS J G,et al.Analysis of data from spilling experiments performed with liquid hydrogen[J].Journal of Hazardous Materials,2000,77 (1)：57-75.

[3]VERFONDERN K,DIENHART B.Pool spreading and vaporization of liquid hydrogen[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(13)：2106-2117.

[4]VENETSANOS A G,BARTZIS J G.CFD modeling of largescale LH2 spills in open environment[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(13)：2171-2177.

[5]SHEBEKO Y N,KELLER V D,YEREMENKO O Y,et al. Regularities of formation and combustion of local hydrogenair mixtures in a large volume[J].Chemical Industry,1988, 21(24)：728.

[6]PRASAD K,PITTS W M,YANG J C.A numerical study of hydrogen or helium release and mixing in partially confined spaces[C]//USA：Proceedings of the NHA annual hydrogen conference.2009：18-30.

[7]ANGAL R,DEWAN A,SUBRAMANIAN K A.Computational study of turbulent hydrogen dispersion hazards in a closed space[J].IUP Journal of Mechanical Engineering, 2012,5(2)：28-42.

[8]MIDDHA P,HANSEN O R,STORVIK I E.Validation of CFD-model for hydrogen dispersion[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2009,22(6)：1034-1038.

[9]AGARANT V,CHENG Z,TCHOUVELEV A.CFD modeling of hydrogen releases and dispersion in hydrogen energy station[C]//Walter Seicritz Pergamon Press.USA Proceedings of the 15th World Hydrogen Energy Conference.US：Walter Seicritz Pergamon Press,2004：10-18.

[10]VENETSANOS A G,HULD T,ADAMS P,et al.Source, dispersion and combustion modelling of an accidental release of hydrogen in an urban environment[J].Journal of Hazardous Materials,2003,105(1)：1-25.

[11]余照.氢泄漏与扩散数值仿真研究[D].长沙：国防科技大学,2008：29-31.

[12]VENETSANOS A G,PAPANIKOLAOU E,DELICHATSIOS M,et al.An inter-comparison exercise on the capabilities of CFD models to predict the short and long term distribution and mixing of hydrogen in a garage[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(14)：5912-5923.

[13]HALLGARTH A,ZAYER A,GATWARD A,et al.Hydrogen vehicle leak modelling in indoor ventilated environments[C]//COMSOL Conference.Milan,Italy：2009：165-186.

[14]GRANOVSKIY E A,LYFAR V A,SKOB Y A,et al.Numerical modeling of hydrogen release,mixture and dispersion in atmosphere[C]//First International Conference on Hydrogen Safety.Pisa,Italy：2005：8-10.

[15]CHOI J,HUR N,KANG S,et al.A CFD simulation of hydrogen dispersion for the hydrogen leakage from a fuel cell vehicle in an underground parking garage[J].International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(19)：8084-8091.

(编辑：田丽韫)

Research Status of the Leakage Diffusion Law of Liquid Hydrogen

LI Yuan1, CHEN Jingpeng2, CUI Cunyan2, LI Xiaoyong1, LI Mingze1

(1.Department of Graduate Management,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 2.Department of Space Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

Research status of the leakage diffusion law of hydrogen in both liquid and gas is introduced aiming at that hydrogen is easy to leak when it is in tank or transported.The main study methods and results are summarized,which could be very useful and referential for damage analysis and safe protection of liquid hydrogen storage and transportation in space lunch site.

liquid hydrogen;storage;leakage;dispersion;summary

TQ 021.4

2095-3828(2014)04-0075-04

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.017

2014-01-18

部委级资助项目

李 渊(1989-),男,硕士研究生.主要研究方向：航天发射安全可靠性技术.陈景鹏,男,副教授,硕士生导师.