液氢泄漏事故中氢气可燃云团的扩散规律研究

邵翔宇,蒲亮,,雷刚,李强,厉彦忠,

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安; 2.航天低温推进剂技术国家重点实验室, 100028, 北京)

液氢将逐步作为主流推进剂,广泛应用于发射空间站、载人登月、登陆火星和深空探测领域[1]。虽然液氢与其他推进剂相比具有显著优势,但其易扩散、可燃范围宽(4%～75%)、点火能量小(0.019 mJ)的特点,使得其在贮存、运输、加注过程中存在严重的安全隐患,历史上曾发生过多次由液氢泄漏引起的安全事故[2-3]。因此,开展液氢泄漏扩散规律的研究,对于预防和避免火灾、爆炸事故发生,指导事故应急处置,降低人身和财产损失,有着重要的现实意义。

国内外研究机构开展了6组液氢泄漏扩散的实验研究[4-9],其中美国国家航空航天局(NASA)进行的大流量瞬时泄放实验,英国健康与安全实验室(HSL)进行的小流量连续泄放实验,具有较强的代表性。NASA于1980年在白沙试验基地(WSTF)进行的液氢泄放实验,获得了液氢池的大小和测点的氢气浓度等数据,以及可见云团的动态扩散过程[5,10],但是该实验并未获得远场(监测塔之外)的氢气浓度场。2011年,HSL在山谷中进行了14次液氢泄放实验,来模拟液氢储罐在转注过程中连接软管的泄漏事故[8]。与其他实验不同的是,部分实验中发现了液氢池附近空气组分(氧气和氮气)的凝华现象,在4次点燃实验中也得到了火焰速度、热辐射通量等数据,但该实验同样仅获得了近场的氢气浓度场。此外,国内唯一有液氢实验资质的北京航天试验技术研究所也在2016年进行了小规模的液氢泄放实验[9]。

考虑到液氢泄放实验的安全和经济因素,国内外一些学者采用CFD来模拟上述实验,并得到了一些有益的结论。文献[7,11]分别采用ADREA-HF、FLACS程序验证了数值模拟研究的可行性;文献[12-13]研究了环境湿度和大气稳定度对氢气扩散的影响;文献[14-15]研究了风温、风速、地温及空气中氮氧液化对氢气扩散的影响;文献[16]研究了典型季节温度、风速、大气压力对可燃云团扩散的影响规律。

综上所述,国内外学者虽然开展了一些液氢泄漏扩散方面的研究,但很少关注可燃云团整个扩散进程中的行为特性。本文以NASA的大规模液氢泄放实验为物理模型,在文献[16]数值模拟研究的基础上,对处于可燃浓度下限的可燃云团的宏观扩散行为特性进行了研究,以期为事故的安全评估提供理论指导。

1 物理现象

液氢泄漏到大气环境后所发生的物理现象,可分为以下4个阶段[17-18],液氢泄漏后的物理现象如图1所示。

图1 液氢泄漏后的物理现象[18]

(1)由于环境温度远高于液氢的饱和温度,当泄漏速度小于瞬时气化速度时,液氢将在泄漏口附近快速气化;若泄漏速度大于瞬时气化速度,少量的液氢在泄漏口附近气化,剩余的液氢在固体、液体壁面累积并逐步扩展为液池,直至气化速度等于液化速度时,液池停止扩展,达到最大面积。

(2)液池在扩展的过程中不断吸收固体、液体壁面以及大气环境中的热量(主要为壁面导热[19])而蒸发。在壁面处由于极大温差(约280 K)的存在,导致液体沸腾,而在液池和空气的交界面处,液池与环境的对流和辐射换热,使得液氢进一步气化,于是液池面积开始逐渐缩小,分裂为若干小液池,直至消失。在此过程中,快速的气化存在发生急剧相变爆炸RPT的可能。

(3)气化后的低温氢气与周围空气之间存在着较大的温差,使得二者快速混合,并在大气湍流的作用下加速混合、扩散,直至扩散至安全浓度(<4%)。

(4)上述液氢泄漏、气化和低温氢气扩散的过程中,可燃云团遇到合适的点火源,将发生燃烧、爆炸甚至爆轰事故。

2 物理模型

2.1 实验描述[5,10]

NASA共进行了7次液氢泄放实验,其中第6次获得了较为全面的数据。5.7 m3液氢自杜瓦经绝热管道(长为30 m,内径为15.2 cm)从泄放口泄放到开放空间,泄放时间为38 s。泄放口位于一个直径为9.14 m的圆形池子(地表为压实的沙子)中心。环境温度为15 ℃,相对湿度为29%,风速为(1.75±0.55) m/s,大气压力为78 630 Pa。在下风向布置了9个19.5 m高的监测塔,每个监测塔上设有热电偶、氢气传感器、气体取样瓶和湍流指示器,监测塔到泄放口距离为R,如图2所示。此外,在泄放口外围1、2、3 m处设置热电偶,用以探测液氢池的动态变化,可见云团的动态扩散过程会被摄像机记录下来。虽然低温氢气并不可见,但当其温度低于环境空气中水蒸气的饱和温度时,造成水蒸气的冷凝并反射光线,使得无色的氢气云团被观测到,因此称其为可见云团。

图2 监测塔及仪表布置图[5]

实验中,可见云团的持续时间为90 s,水平、竖直方向扩散的最远距离分别为160、65 m,可见云团边缘对应的氢气体积分数为6.7%。

2.2 网格划分及边界条件

在400 m×100 m×60 m的空间区域内,选取一半作为计算域,采用结构化网格进行离散。坐标原点设在(0,0,0)处,泄放口位于(24.70 m,0,0)处。在靠近泄放口的位置进行了网格加密,远离泄放口的位置网格逐渐稀疏,网格总数为538 049,水平方向最小、最大网格尺寸分别为300、2 176 mm,竖直方向分别为70、1 361 mm,全场网格尺寸放大因子小于1.2,计算域离散示意图如图3所示。x=0平面为空气入口,风速廓线采用对数律分布,10 m高处风速为2.2 m/s,x=400 m平面为空气出口,z=0、-30 m和y=100 m平面为对称面边界,y=0平面为无滑移壁面,液氢泄放口为质量流量入口[16]。

图3 计算域离散示意图(z=0)[16]

3 数值求解方法

3.1 控制方程及代数方程

混合模型(Mixture)是一种简化的多相流模型,考虑相间速度滑移时为非均相模型(NHEM),否则为均相模型(HEM)。在液氢泄漏扩散的数值模拟研究中,HEM被广泛采用[14,19-20],但Giannissi等的研究[21]发现,与HEM相比,NHEM的计算结果与实验更为接近。本文采用NHEM模型来解决气液相的混合问题,采用增强壁面函数处理的Realizablek-ε湍流模型模拟湍流现象。液相p(第二相)为液氢(LH2),气相q(主相)为空气(air)和氢气(H2)的混合物。混合物的质量、动量、能量方程、第二相的体积分数方程、相变模型、组分传输模型[16]如下。

连续性方程

(1)

动量方程

ρmg+F+

(2)

能量方程

(3)

液相的体积分数方程

(4)

气、液相之间的滑移速度

(5)

相变模型

(6)

组分输运方程

(7)

3.2 模型设置

在LH2泄漏和扩散之前,首先进行稳态风场的计算,作为非稳态计算的初场,稳态风场速度云图如图4所示。非稳态计算中,LH2的泄放条件通过自定义函数(UDF)实现(038 s,0),蒸发相变系数为0.25。压力速度耦合采用PISO算法,对流项采用QUICK格式离散,时间步长为0.001 s,收敛判据为0.001[16]。

图4 稳态风场速度云图(t=0)

4 数值模拟结果

在前期研究中,通过与NASA实验数据对比,验证了上述数值模型的精度[16]。在本节中,将对数值模拟的数据进行进一步分析,通过H2和空气云团内部物理量(体积分数、温度、密度)的动态变化规律,以及竖直方向扩散范围的研究,来揭示其在大气环境中的扩散行为特性。

4.1 浓度场变化规律

为直观展示H2和空气云团的演变过程,图5给出了不同时刻H2的浓度场,t为自LH2泄放开始的时间。由图5可知:在LH2泄放期间(t=10 s),由于LH2在由液态向气态H2转变的过程中,其体积有了很大程度的膨胀,伴随着周围空气被卷吸进入H2云团,其在浮力作用下开始上升,但在泄放口处不断有LH2向H2转变,其尾部并未脱离地表,同时在外界大气湍流的作用下,云团向下风向偏移,因此在此阶段云团呈现出与地表在下风向有一定夹角的上浮状态;在LH2停止泄放后(t=40～60 s),云团与周围空气在温差作用下发生急剧混合换热,浮力逐渐超过重力,致使云团脱离地表并上升到更高的高度,同时在大气湍流和局部旋涡的共同作用下,云团内部H2浓度表现出较为显著的不均匀、不连续现象;在云团浮升阶段之后(t>60 s),云团基本维持在一定高度上,并在大气湍流的作用下,沿下风向飘移,相比较前两个阶段,此阶段可燃云团的体积变化非常缓慢。

(a)t=10 s (b)t=40 s (c)t=50 s

(d)t=60 s (e)t=80 s (f)t=110 s图5 不同时刻H2的浓度场

图6给出了H2和空气云团最大H2浓度的动态变化规律。由图6可知:在LH2泄放期间(t≤38 s),最大H2体积分数基本高于70%;在停止泄放较短时间内(38114 s之后,H2和空气云团体积分数降至可燃体积分数下限以下。

图6 H2和空气云团最大H2体积分数[16]

4.2 温度场和密度场变化规律

H2和空气云团最低温度的变化规律如图7所示,可知在LH2泄放期间最低温度接近饱和温度(≈20 K),停止泄放后(38

图7 H2和空气云团最低温度

H2和空气云团密度极值的动态变化过程如图8所示,可知H2和空气云团的最大密度在整个LH2泄放期间均大于空气密度,因此该阶段云团尾部的重力大于浮力,使其贴近地表,而云团最小密度曲线显示,在该阶段其头部密度小于空气密度,使其在浮力作用下上升,这点进一步解释了图5中t=10 s H2云图的形态。在38

图8 H2和空气云团最大和最小密度

4.3 竖直方向扩散范围

图9进一步定量地展示了可燃云团在竖直方向的扩散范围(最小离地高度和最大离地高度)。由图9可知,在LH2泄放期间(t≤38 s),可燃云团(LFL)头部呈不断上升趋势,最高约50 m,其尾部始终贴近地表;停止泄放后的较短时间内(≈8 s),可燃云团尾部脱离地表,并快速上升,至约65 s后缓慢上升,维持在40 m左右的高度。

图9 可燃云团(LFL)竖直方向的扩散范围

由4.1、4.2节可知,造成LH2停止泄放后短期内可燃云团快速上升,并随后维持一定高度的原因,是低温H2与周围空气在巨大温差的作用下而发生急剧混合换热,导致可燃云团在浮力作用下升高,随着温差和密度差的减小,局部混合的动力减弱,可燃云团不再升高,维持在一定高度随风移动。值得注意的是,虽然可燃云团存续时间为114 s,但在液氢停止泄放约20 s内(t≤65 s),可燃云团快速升高并维持在数十米的高度,据此有理由推断,对此类开放空间的液氢泄放事故(5 m3量级),发生燃烧/爆炸事故的可能性较小,即便发生此类事故,对地面人员或建筑物的影响也有限。

4.4 宏观扩散行为特性

对于本文研究的开放空间LH2泄放工况,可燃云团的宏观扩散行为可归纳为3个阶段:①重气扩散阶段,该阶段主要位于LH2泄放期间,云团尾部贴近地表,头部上浮,与地表在下风向呈一定夹角;②浮升扩散阶段,该阶段是可燃云团扩散历程中的主要阶段,H2体积分数快速下降,其发生在停止泄放后很短时间内(t2<10 s),云团尾部脱离地表,随后快速上浮,上升至数十米高度;③被动扩散阶段,该阶段在可燃云团扩散过程中占据大部分时间(t3≈6t2),云团维持在数十米高度,并在风力驱动下漂移,云团H2体积分数下降非常缓慢。

5 结 论

(1)开放空间里H2可燃云团的宏观扩散行为,可分为重气扩散阶段、浮升扩散阶段和被动扩散阶段。重气扩散阶段长短主要依赖于LH2泄漏时间,被动扩散阶段占据可燃云团扩散的绝大部分时间。浮升扩散阶段为可燃云团扩散的最主要阶段,发生在较短时间内,该阶段H2体积分数快速下降至较低水平,同时云团快速上升,到达数十米高空。

(2)在较低风速下,温差导致的低温H2与周围空气的局部湍流混合,是主导可燃云团扩散的主要因素。随着温差减小,局部混合的动力减弱,使得云团在被动扩散阶段扩散非常缓慢。

(3)对于开放空间5 m3量级的LH2泄漏事故,风速为2.2 m/s时,在停止泄放8 s内可燃云团即脱离地表,并维持在约40 m的高度,发生火灾/爆炸事故的可能性较小,即使使发生此类事故,对地面人员或建筑物的影响也有限。