温湿度对空气中氢气扩散过程的影响

曹鹏 梁文清 钱华 郑晓红

东南大学能源与环境学院

0 引言

氢气是一种很有发展前景的清洁能源，它 被广泛应用于航天发射、清 洁能源、化 学工业、燃 料电池等领域[1]。但是，在 氢气的生产，储 存，运 输和使用的过程中，氢 气都有可能发生泄露。泄露的氢气与周围空气混合，当 氢气的体积分数为 4.1%～75%时[2]，就 有可能发生燃爆。

氢气泄露的研究，目前主要分为实验，C FD 模拟与数学模型。已有实验虽然记录了环境温湿度，但 是没有研究温湿度的不同对扩散过程的影响[3～5]，C FD 模拟与数学模型也缺乏相关实验数据进行支撑[6～8]。本文的主要内容，就 是探究短时间内垂直向上泄露的氢气在空气中的扩散特性，并 通过改变环境温度、湿 度等，探究它们对氢气泄露扩散的影响，实 验所得结果也可作为其它CFD 模拟与数学模型的数据支撑。

1 实验

该实验主要模拟的是氢气发生短时间泄露时的情况。氢气的扩散主要与浮力和扩散系数有关，在 标准温度和标准压力的情况下，氦 气浮力与空气密度的比值为86%，氢 气浮力与空气密度的比值为93%，氦 气在空气中的扩散系数为0.697 cm2/ s，氢气在空气中的扩散系数为0.756 cm2/ s，它 们的物理性质相似[9]。并且氦气没有燃爆风险，已 有的实验也证明氦气泄露后形成的浓度场与氢气泄露后形成的浓度场相近[5]，所 以使用氦气代替氢气进行实验。

1.1 实验装置

氦气泄露实验在多功能环境及气流模拟舱（下文简称为环境舱）（图1）中进行。环境舱内部为一长方体，内侧长为4 m，宽为 3.7 m，高为 2.7 m，体积为39.96 m3。环境舱前侧有一扇门和一面透明玻璃，左 右两侧有通风口，门、玻 璃和通风口的尺寸与位置见图1。实验时，可 通过前侧的透明玻璃观察环境舱内的情况。环境舱的左右两侧由多块可拆卸的不锈钢板拼接而成，前 后两侧与地面为胶合板，上 侧为多孔不锈钢板。为了减少环境舱四壁渗透风对实验的影响，不 锈钢板间的接缝处，门 缝和通风口处都进行了密封。

图1 多功能环境及气流模拟舱（环境舱）

氦气储存于环境舱外的高压钢瓶中，使 用减压阀进行减压，并 由针阀调节流量，经 过 2m 长的导管输入环境舱。氦气的流量由位于针阀后侧的流量表实时获取，流 量的调节范围为 0 NL/min～90 NL/min（20 ℃，1 atm）。环境舱内的氦气泄露口直径为 2 mm，距 离环境舱左侧 1.85 m，前 侧 2 m，地 面 0.10 m，泄 露口具体位置见图1。

氦气浓度由氦气浓度传感器测得，该 传感器输入15 V 直流电压信号，输 出 8～20 mA 的电流信号，测 量精度为0.1%（体积分数），响 应时间为50 ms。氦 气浓度传感器的布置如图2 所示，共 在环境舱中布置25 个测点。其中1～4 点位于泄露源的正上方，分 别距离泄露口9 cm、19 cm、29 cm、39 cm。5～8 点、9～12 点、13～16、17～20 点与泄露口的垂直距离分别与 1～4 点相同，与泄露口间的水平距离分别为 1 cm、3 cm、5 cm、6 cm。21 点位于泄露口正上方的屋顶处，22～25 点分别位于环境舱的四壁。其中，1～21 点为定点，22～25 点为可在四壁进行移动的动点。环境舱的温度和湿度由置于环境舱内的TSI VELOCICALC 测得。

图2 氦气浓度传感器布置图

1.2 实验步骤

为了探究环境温度、湿 度等对空气中氢气扩散过程的影响，在 流量为15 NL/min 的情况下，分 别调整环境温度与湿度进行实验。实验时，各 参数如表 1 所示。

表1 实验参数表

氦气浓度传感器输出的电流信号由34970A 数据采集仪进行采集。每 次氦气泄露时间为60 s，泄 露流量恒定，在 泄露前10 s 打开 34970A 数据采集仪，在 泄露停止30 s 后关闭34970A 数据采集仪，对从氦气开始泄露前到停止泄露后的整个过程进行记录。实验时，保证环境舱内无风，温 度、湿 度均匀恒定。

2 结果与讨论

在进行实验的过程中，21～25 测点的氦气体积分数始终为零，即 氦气始终未扩散到环境舱四壁与屋顶处，所 以将氦气在环境舱中的60 s 定流量泄露过程视为氦气在无障碍的空间中进行的短时间定流量泄露过程。

2.1 温度对空气中氦气扩散过程的影响

在氦气泄露流量为 15 NL/min，相对湿度为 60%的情况下，环 境温度分别设定为 15 ℃，20 ℃和 25 ℃，在泄露初期，各 测点的氦气体积分数随时间变化如图3 所示。

图3 氦气体积分数随温度变化图（泄露初期）

由图 3 可以发现，当氦气发生短时间持续泄露时，在 浮力与扩散力等的作用下，泄 露口周围各点的氦气浓度迅速增加，然 后趋于稳定。在中心轴线和水平距离1 cm 处，随 着高度的增加，浓 度的增速和所能达到的最大值逐渐减小。在水平距离 3 cm，5 cm 和6 cm 处，随 着高度的增加，浓 度的增速和所能达到的最大值先增加后减小。这是由于随着高度的增加，氦 气射流与周围空气的卷吸作用减弱，氦 气浓度由中心轴线向四周衰减减慢，所 以在3 cm、5 cm、6 cm 处浓度增速和所能达到的最大值随高度的变化趋势与中心轴线处不同。由图3 还可以发现，随 着温度的升高，测 点1 处氦气浓度的增速加快，所能达到的最大氦气浓度增大，这 表明了温度的增加使得泄露口处氦气浓度的沿垂直方向的衰减减慢。同一高度上的各相邻测点间氦气浓度的增速随着温度的上升而逐渐接近。这是由于温度的升高使的氦气沿径向的扩散能力加强，各 测点间的浓度衰减减慢，浓 度增速接近。

氦气浓度稳定后各测点的氦气体积分数如图 4所示。由图4 可以发现，待 泄露的氦气稳定后，在 中心轴线处和水平距离1 cm 处，氦 气浓度随着高度的增加而减少，在 水平距离 3 cm，5 c m 和 6 cm 处，随 着高度的增加，氦气浓度先增大后减小。氦气浓度沿水平方向的衰减速率随着高度的增加而逐渐下降。由图 4 还可以发现，随 着温度的升高，测 点 1 的浓度升高，同 一高度上的测点浓度沿着水平方向衰减减慢。虽然图 4中显示氦气体积分数大于 4%的测点数量并未随温度发生变化，但 是，由 于随着温度的升高，氦 气沿着水平方向的浓度衰减减慢，其大于 4%的区域半径将会增大，即 对处于相同泄露情况的氢气来讲，其 可发生燃爆区域的半径会随着温度的上升而增大。

图4 稳定后各测点氦气体积分数

2.2 湿度对空气中氦气扩散过程的影响

在氦气的泄露流量为 15 NL/min，环 境温度为20 ℃的情况下，相对湿度φ分别设定为50%，60%和70%，在 氦气泄露初期，各 测点的氦气体积分数随时间变化如图5 所示。

图5 氦气体积分数随相对湿度变化图（泄露初期）

由图5 可以发现，随着相对湿度的增加，测点 5处氦气浓度的增速加快，所 能达到的氦气最大体积分数增大，测 点1 和测点5 的氦气浓度增速逐渐接近。

氦气浓度稳定后各测点的氦气体积分数如图 6所示。由图6 可以发现，随 着湿度的上升，测 点4 处的氦气体积分数下降，测 点1 和测点5 的浓度差减小，即 氦气在中心轴线处的衰减加快，在 泄露口处沿水平方向的衰减减慢。虽然图 6 中显示氦气体积分数大于4%的测点数量并未随湿度发生变化，但 是，由 于随着湿度的升高，氦气沿着垂直方向的浓度衰减加快，大 于4%的区域高度将会减小，即对处于相同泄露情况的氢气来讲，其 可发生燃爆区域的高度会随着湿度的上升而减小。

图6 稳定后各测点氦气体积分数

3 结论

本文使用氦气代替氢气，在 环境舱中模拟了无障碍空间中氢气短时间定流垂直向上泄露，并 且分别调整了环境温度与湿度，探 究环境温湿度对空气中氢气扩散过程的影响。

实验结果表明，当 处于无障碍空间的氦气发生短时间定流量垂直向上泄露时，在 泄露口周围迅速形成了一个稳定的浓度场。在中心轴线处，氦 气的浓度随着高度的增加而减少，在 非中心轴线处，氦 气浓度随高度的增加先增加再减小。随着高度的增加，氦 气沿水平方向的衰减逐渐减慢。

温度和湿度的变化会影响泄露口附近的氦气浓度，同 时，温 度的上升会使得氦气沿水平方向的浓度衰减减慢，湿 度的上升会使得中心轴线处的氦气浓度沿高度方向浓度衰减加快。因此对于泄露时的氢气来讲，更 低的环境温度和更高的环境湿度将对缩小可燃爆区域的范围更有利。