高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析_丁晓晔 (1).pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-07-26 修改日期：2023-08-25 基金项目:国家自然科学基金项目（51834007）；中国博士后科学基金资助项目（2022M711603）；江苏省卓越博士后计划资助项目（2022ZB388）；江苏省高等学校自然科学研究项目（22KJB620005）作者简介:丁晓晔（1980），女，江苏南京，硕士，讲师，主要研究方向为化工过程安全和风险管控，。通信作者:王振华（1990），男，江苏宿迁，博士，副教授，主要研究方向为新能源和工业火灾安全防控，。引文格式:丁晓晔，王振华，王光虎，等.高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析J.实验技术与管理,2023,40(11):232-239.Cite this article:DING X Y,WANG Z H,WANG G H,et al.Numerical simulation analysis of the accidental hydrogen leakage and fire in a university laboratoryJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):232-239.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.034 实验室环境健康与安全 高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析 丁晓晔，王振华，王光虎，蒋军成，倪 磊，潘 勇，李 梦（南京工业大学 安全科学与工程学院，江苏 南京 211816）摘 要：为研究高校实验室氢气泄漏扩散和火灾蔓延规律，该文使用计算流体力学软件构建实验室全尺寸三维仿真模型，模拟氢气泄漏和火灾发展的过程，并探讨了不同泄漏孔径对氢气扩散和燃烧的影响。研究结果表明：当泄漏孔径为 5 mm 时，氢气仅在泄漏点所在房间内流动并在顶部积聚，氢气引燃后产生小尺寸喷射火焰；当泄漏孔径为 10 mm 时，氢气仍受限在泄漏点房间内，但引燃氢气后的火焰喷射高度增加，易形成顶棚射流破坏屋顶结构；当泄漏孔径为 25 mm 时走廊成为扩散通道，氢气进入对面房间，室内喷射火焰高度进一步增加直接撞击天花板，室内的高热量也扩散至走廊，影响人员安全疏散。关键词：安全工程；CFD 数值模拟；实验室；氢气泄漏；火灾事故；安全管理 中图分类号：X959 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)11-0232-08 Numerical simulation analysis of the accidental hydrogen leakage and fire in a university laboratory DING Xiaoye,WANG Zhenhua,WANG Guanghu,JIANG Juncheng,NI Lei,PAN Yong,LI Meng(College of Safety Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)Abstract:In order to study the law of hydrogen leakage diffusion and fire spread in university laboratories,this paper uses computational fluid dynamics software to construct a full-scale three-dimensional simulation model of the laboratory to simulate the process of hydrogen leakage and fire development,and discusses the effects of different leakage apertures on hydrogen diffusion and combustion.The results show that when the leakage aperture is 5 mm,hydrogen only flows in the room where the leakage point is located and accumulates at the top,and a small-size jet flame is generated after hydrogen ignition.When the leakage aperture is 10 mm,hydrogen is still confined in the room at the leakage point,but the flame jet height increases after igniting hydrogen,which is easy to form a ceiling jet to destroy the roof structure.When the leakage aperture is 25 mm,the corridor becomes a diffusion channel,and hydrogen enters the opposite room.The height of the indoor jet flame further increases and directly impacts the ceiling.The high heat in the room also diffuses to the corridor,affecting the safe evacuation of personnel.Key words:safety engineering;CFD numerical simulation;laboratory;hydrogen leakage;fire accident;safety management 氢能具有燃烧清洁、能量密度高、来源丰富和可再生等特点，被视为最理想的新能源，已经成为未来能源发展的重要方向之一。目前，多数国家都在积极推动氢能发展1。然而，氢气属于易燃易爆气体，燃 丁晓晔，等：高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析 233 烧范围宽（4%75%）、点火能极低（0.02 mJ）、易泄漏，且泄漏燃爆的恶性事故十分突出2，因此氢气的存储安全问题制约了氢能的发展。随着氢能源概念的确立和氢能产业的快速发展，实验室对氢气资源的需求量不断增加，氢气的使用率也在持续上升，与此同时，氢气安全事故频发展，引起了社会的广泛关注与重视。最新的统计数据表明，实验室氢气安全事故占事故总数的 38.3%3。在实验教学和科学研究过程中，实验室频繁使用氢气带来的安全事故不容忽视。因此，研究实验室氢气泄漏扩散以及被引燃后的火焰蔓延规律，对降低氢气泄漏火灾事故率，预防氢气泄漏引发的次生安全事故，以及加强实验室安全管理具有重要意义。当前国内外学者对氢气泄漏及火灾的研究已取得了一定进展，主要集中在高压氢气泄漏和扩散、高压氢气喷射火焰和受限空间（如加氢站、隧道和车库等）内氢气泄漏引发火灾等几个方面4。根据氢气泄漏源与环境压力的比值，高压氢气瓶泄漏通常会形成欠膨胀射流2。为了简化复杂的欠膨胀射流问题，文献5提出“伪直径”概念，之后得到学者不断完善6-7。文献8研究了初始压力为 10 MPa 的高压氢气泄漏情况，并测量了泄漏孔径为 624 mm 的水平射流中心线浓度分布。文献9研究了半径为 0.75 mm 喷嘴形成的稳态（压力比为 10:1）欠膨胀氢气射流，并利用纹影摄影技术和平面激光瑞利散射（planar laser Rayleigh scattering，PLRS）技术，可视化地测量射流出口激波结构和马赫盘下游氢气摩尔浓度场。文献10使用自制的氢气浓度测量装置，研究了压力为 40 MPa 氢气通过直径为 10 mm 喷嘴发生大规模瞬态泄漏时的浓度分布。此外，文献1113基于实际气体状态方程和热力学定律，建立了高压氢气泄漏过程模型，用于描述泄漏出口内外气体状态参数随时间变化的情况。在高压氢气喷射火焰方面，文献1416开展了一系列氢气喷射火焰试验，并提供了喷射火焰尺寸和热辐射通量等实测数据。文献17通过提取大量实验数据，使用量纲分析法建立 Froude 数、Reynolds 数和 Mach数综合影响下的氢气射流火焰长度无量纲模型，进一步研究了传统浮力主控-传统动量主控（“饱和”膨胀射流）-新动量主控（欠膨胀射流）模式下全局氢气射流阶段的情况。随着计算机技术的迅猛发展，计算流体力学（CFD）也已成为不可或缺的氢气喷射火焰研究工具。例如，文献18首次基于 OpenFOAM 详细探讨了喷口速度和直径对氢气喷射火焰高度、中心线温度等燃烧特性的影响。文献19使用 CFD 模拟计算了90 MPa 高压氢气喷射火焰，成功复现文献15中的实验，发现模拟所得结果的火焰长度和热辐射通量与实验结果较吻合。对于受限空间内的氢气泄漏火灾，全尺寸实验和模型实验会耗费大量人力和物力，且危险性较大，因此相关的研究仍以 CFD 数值模拟方法为主。文献20使用 CFD 模拟了住宅车库氢气泄漏和扩散过程，得出氢气浓度分布主要受泄漏点位置影响。文献21结合 CFD 模拟，分析了加氢站罩棚下微量泄漏氢气的扩散规律。文献22使用 FLACS 模拟研究了罩棚形状、环境风速和风向对油氢合建站高压氢气泄漏扩散的影响。文献23使用 CFD 模拟研究了隧道内氢气运输车辆泄漏引发的喷射火焰行为，与空旷空间相比，隧道内氢气喷射火焰的危害在于高温和氢气的积聚，可能会造成次生灾害。目前，关于实验室内氢气意外泄漏扩散和火灾蔓延规律的研究还相对较少。实验室作为一个特殊的建筑类型，在布局和通风等方面有其特殊的要求和特点，在该空间内，氢气泄漏引发的火灾也更复杂。本文以某实验室为应用实例，使用 CFD 软件 ANSYS Fluent 2020R2 研究了不同条件下的实验室氢气泄漏扩散和火灾蔓延规律，并分析不同因素对氢气扩散燃烧的 影响。1 实验室氢气瓶泄漏燃烧模型构建 1.1 实验室几何模型 以某实验室为原型建立几何模型，由于整个实验楼为轴对称布局，因此模拟了 1/2 的空间模型。图 1为简化后的三楼右侧实验室俯视图，总建筑面积为 32.8 m 18.9 m，高度为 3.5 m，采用中间走廊和两侧房间的对称分布形式，共划分 10 个房间。窗户 110 为通风口，其中大房间窗户的水力直径为 2.7 m，小房间窗户的水力直径为 2.0 m。走廊两端的实验门 1 连接中央大厅，门 2 直接通向外部，因此，将实验门 1 和2 分别设置为出风口和进风口，水力直径均为 1.4 m。实验时应打开各房间门窗，保持室内空气流通，氢气泄漏点位于实验室 10 的中心位置。图 1 实验室（右侧）俯视图 234 实 验 技 术 与 管 理 1.2 气体泄漏模型 如图 2 所示，实验室使用一套 5 瓶组氢气瓶集装格，气瓶型号为 WMA219-40-15，高度为 1.31 m。氢气泄漏通常发生在阀门和管道连接处，泄漏口一般为圆形小孔状24。为全面完整地模拟实验室氢气泄漏事故，本次模拟选取 3 种不同泄漏孔尺寸（5、10 和25 mm），代表实际场景中的不同失效类型，其中 25 mm为汇流排主管道直径，表示全尺寸泄漏。图 2 5 瓶组氢气瓶集装格 根据 Abel-Nobel 状态方程、能量守恒方程和等熵过程假设，泄漏孔处的氢气泄漏速度 u0为2 1a01112()11PuPbP-|=-|-|（1）式中，为绝热指数，氢气取 1.41；1为比体积，m3/kg；P1和 Pa分别为气瓶泄漏孔处压力和周围环境气体压力，Pa；b 为比体积修正项，氢气取 7.69103 m3/kg。氢气泄漏的质量流量为 00 0qAu=（2）式中，q0为泄漏孔处气体质量流量，kg/s；为泄漏系数；A 为泄漏孔面积，m2；0为泄漏孔处气体密度，kg/m3。实验室氢气泄漏扩散过程较复杂，为了简化计算和分析，假设氢气连续泄漏（取 100 s15），且泄漏孔尺寸和泄漏速度不变。1.3 流动和燃烧模型 氢气泄漏流动过程是一种典型的湍流扩散现象，该现象遵循流体的基本控制方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程。气体泄漏流动控制方程的表达式汇总于表 1。为计算氢气从泄漏孔的湍流射流及扩散过程，需要附加湍流方程。本文采用目前使用最广泛的标准 k-湍流模型，该模型主要基于湍动能 k 和耗散率 的传递方程，具体方程如下：VFMkddtiikkGGYtxx=+-|（7）2t1V3F2d()diiCGC GCtxxkk=+-|（8）式中，t为湍流黏度，Pas；为湍流耗散率，m2/s3；k为湍流动能，m2/s2；GV和GF分别为平均速度梯度和浮力引起的湍动能产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的贡献；K、分别为与湍流动能k和耗散率对应的Prandtl数；C1、C2、C3为经验常数。表 1 气体泄漏流动控制方程 方程 表达式（瞬时量）质量守恒方程()0iiutx+=（3）动量守恒方程 2()()3jiijijjijijijiuuupuu ugtxxxxxxx+=-+-+|（4）能量守恒方程()()iiiiTcTu cTStxxx+=+|（5）组分输运方程()()iiiiuDtxxx+=|（6）式中，t 为时间，s；x 为坐标值，m；u 为速度，m/s；T 为温度，K；为动力黏度，Pas；g 为重力加速度，m/s2；c 为比热容，J/(kgK)；为导热系数，W/(mK)；S 为源项；为体积分数，%；D 为扩散系数，m2/s；下角标 i 和 j 分别表示笛卡尔坐标系下不同方向。泄漏的氢气遇到引火源会形成喷射火焰，因此选用部分预混燃烧模型模拟喷射火焰燃烧25，求解输运方程可得到平均反应进度和混合物组分方程，进而确定火焰峰面的位置，平均标量（如组分质量、温度和密度）的计算公式为 1 10 0(,)(,)d dyf y p f yf=（9）式中，f为混合分数；y为进程变量。辐射模型使用P-1模型26，该模型既能满足喷射火焰辐射换热计算精度要求，又具有计算量小、计算 丁晓晔，等：高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析 235 速度快等特点。P-1模型只考虑了正交球谐函数前四项，辐射热流qr的方程如下：r13()qEh=-+-（10）式中，为吸收系数；为散射系数；E为入射辐射，kW/m2；h为线性各向异性相位函数系数。1.4 网格划分和无关性验证 图3展示了实验室网格划分，模型计算区域与实验室实际尺寸比例为11，采用Fluent Meshing软件划分非均匀网格，并在泄漏点附近进行局部加密。为检验本文所设计的网格对CFD模拟计算的适用性，采用相同的设置条件，并与直观反应火场特性的温度数据对比，对四组不同网格数的实验室模型进行网格无关性验证。图 3 实验室网格划分 图4展示了实验室10顶棚下方与泄漏中心不同距离位置的温度变化曲线。从图4可知，当网格数分别为100万和128万时，温度变化曲线较为接近。鉴于运算时间和计算精度，本文最终选择CFD模拟计算的网格数量为100万。图 4 顶棚下方温度随距离泄漏中心变化曲线 1.5 边界条件与参数设置 泄漏孔出口和进风口（门2）设置为速度入口边界条件，其中泄漏孔口处的氢气流速根据公式（1）和（2）计算得到，氢气体积分数设置为1；进风口入口速度设置为当地年平均风速（2.61 m/s）。出风口（门1）设置为压力边界条件。房间门窗通风口设置为自由流出边界条件，壁面设置为绝热壁面条件，并采用标准壁 面 方 程 和 无 滑 移 边 界 条 件。同 时，模 型 采 用SIMPLEC算法进行压力-速度耦合。初始环境温度为25，大气压力为1.01105 Pa。2 扩散模拟结果分析 本文主要研究实验室氢气泄漏在不同泄漏孔径条件下的扩散与引燃后火灾蔓延规律。根据泄漏孔径和流量，将其分为引燃和未引燃6种模拟工况，详见表2。表 2 模拟工况设置 未引燃 引燃 工况1工况2 工况3 工况4 工况5工况6泄漏孔径/mm 5 10 25 5 10 25 泄漏流量/(kgs1)0.010.05 0.34 0.01 0.050.34 图5为计算区域的监测点位置示意图，在坐标轴z=1.6 m和z=3.2 m平面上共布置7个监测点。在坐标轴z=3.2 m平面上，监测点M1和M3分别设置在门1和2处，监测点M2和M5分别位于实验室3和8中心位置，监测点M4设置在泄漏点所在的实验室10；而在坐标轴z=1.6 m平面上，监测点M6和M7设置在门1和2处，且与M1和M3监测点位置在竖向上保持一致。图 5 监测点位置示意图 图6展示了不同泄漏孔径下各监测点氢气的摩尔分数随时间变化的曲线。由图6可知，在较低环境风速下，由于实验室通风效果不佳，泄漏点所在的实验室10的氢气摩尔分数随着泄漏孔径增大而显著提高，平均值依次为0.05、0.09和0.27，增幅依次为80%和200%，实验室整体氢气燃爆的风险逐渐增大。在持续泄漏的情况下，由于氢气的密度小，泄漏后会上浮扩散27，高浓度的氢气会积聚在实验室10顶部天花板236 实 验 技 术 与 管 理 附近。此外，氢气泄漏量受泄漏孔径的影响，泄漏孔径越大，氢气泄漏量越大（表2），随着时间的增加，在5和10 mm的泄漏孔径下，可燃氢气云仅在实验室10内流动（图6(a)和6(b)），但当泄漏孔径增加至25 mm时，氢气云开始扩散并向走廊下风向移动，在100 s时，监测点M1测量到的氢气摩尔分数最大值为0.03（图6(c)），接近氢气的安全范围下限值0.04。尽管走廊仍可作为安全通道使用，但氢气连续长时间泄漏且不能有效稀释和排出，会增加发生燃爆事故的风险。为直观展示实验室氢气发生泄漏后的扩散情况，图7展示了3种不同泄漏孔径下不同时刻氢气浓度的分布，切片平面选取坐标轴x=9.45 m和z=3.20 m。可观察到，在5和10 mm的泄漏孔径下，在100 s内泄漏的氢气主要集中在实验室10。进一步分析可知，由于氢气以高速喷出，且比空气轻，泄漏的氢气会不断上升，当达到顶部天花板后附壁运动，停留时间较长，导致整体上氢气浓度梯度分布明显。同时，环境风速对氢气扩散的影响很小，大部分可燃氢气云始终在实验室10内活动，氢气摩尔分数持续增加，但未扩散至走廊和邻近实验室。而在25 mm泄漏孔径下，氢气泄漏量大幅增加，导致实验室10内的氢气累积速率较快，氢气摩尔分数快速升高，部分氢气沿门框上沿流入走廊，在坐标轴z=9.45 m平面底部靠近实验室10门附近形成一个局部的高浓度氢气区域。受实验室建筑结构和通风条件的影响，氢气在走廊中会随着空气向走廊的下风向扩散，同时一部分氢气会流入斜对面的实验室4，因此位于实验室4的人员安全也受到一定威胁。总体而言，在全尺寸泄漏孔径情况下，常规自然通风无法提供足够的风量，实验室较难以稀释并排出 图 6 不同泄漏孔径下监测点氢气摩尔分数随时间变化曲线 图 7 不同泄漏孔径下实验室氢气泄漏各阶段浓度场分布 丁晓晔，等：高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析 237 可燃氢气云。此外，走廊结构具有两端出入口狭长的特点，无墙体限制，成为氢气扩散的通道，容易在此局部空间内积聚氢气，对人员撤离疏散产生不利影响。图8比较了3种不同泄漏孔径下氢气泄漏发生100 s时的速度矢量分布，可知在泄漏阶段，氢气高速喷射到达室内天花板，由于氢气密度低的特性，经附壁运流和自由碰撞后逐渐在天花板下方积聚。在5和10 mm泄漏孔径下，由于氢气泄漏量较少，不足以沿门框上沿扩散至走廊，因此泄漏的氢气始终被限制在实验室10内（图8(a)和8(b)）。实验室10内如果安装氢气泄漏报警仪并及时预警，在采取有效措施（如切断气源和开启排风扇等）的情况下，可以降低室内氢气的聚集浓度，从而显著降低危险性。当泄漏孔径进一步增加至25 mm时，单位时间内氢气泄漏量大大增加，泄漏的氢气开始扩散至走廊，并随空气向走廊出风口方向传输（图8(c)）。此时，实验室人员应立即向进风方向（门2）撤离并进行隔离，直至气体散尽，同时切断火源。图 8 不同泄漏孔径下实验室氢气泄漏速度场分布（t=100 s）3 火灾模拟结果和分析 图9展示了不同泄漏孔径下监测点温度随时间变化的曲线，图10展示了在t=100 s时不同泄漏孔径下实验室10内的氢喷射火焰形态。在通风效果不佳的情况下，实验室10内泄漏点附近点燃形成的氢射流火焰，释放大量热量并积蓄在室内，导致室内温度快速上升，达到稳定状态。在5 mm泄漏孔径下，产生的喷射火焰尺寸较小（图10(a)），燃烧产生的羽流受浮力驱动向上运动，热量在室内顶部积聚，监测点M4的温度达到约800 K。同时，外界的新鲜空气通过门窗的下部流入室内燃烧区，维持火焰的燃烧。由于环境风速较低，且实验室仅通过门窗与外界连通，火灾产生的热量难以通过对流或热传导的方式传播出去，导致实验室10内的温度持续升高。在10 mm泄漏孔径下，随着泄漏孔口的氢气流量增加，氢射流火焰的高度也随之增加13，火焰浮力羽流区接触到天花板（图10(b)），但火灾的发展仍局限在实验室10内，监测点M4的温度约为1 500 K，高温会破坏屋顶结构。在25 mm泄漏孔径下，氢射流火焰高度进一步增大，形成强羽流驱动顶棚射流（图10(c)），此时监测点M4位于连续火焰区，测量的温度超过2 000 K，与文献28的结果相近。室内温度的急剧上升导致室内压力增大，进一步促使热量由门窗扩散到室外，导致走廊监测点M3和M1的温度分别在10和20 s后明显上升，平均温度分别为556和491 K，不利于人员逃生和救援。图11进一步展示了在3种不同泄漏孔径下实验室氢气火灾不同时刻的温度分布。由图11中可知，在5和10 mm泄漏孔径下，氢气流量较小。当实验室10内的氢气泄漏引发小尺寸喷射火焰时，释放的热量积聚在天花板下方；受限于较小的环境风速和建筑结构，实验室的自然通风效果有限，室内热量难以排出，温度迅速升高。此时，室内保持微负压，使得火灾的影响局限在起火房间内，实验室10的火灾危险性较 图 9 不同泄漏孔径下监测点温度随时间变化曲线 238 实 验 技 术 与 管 理 图 10 不同泄漏孔径下实验室 10 内氢喷射火焰形态（t=100 s）图 11 不同泄漏孔径下实验室氢气火灾各阶段温度场分布 高。在25 mm泄漏孔径下，单位时间内氢气泄漏量大幅增加，高温射流火焰直接撞击天花板，形成强羽流驱动顶棚射流，此时实验室10内的压力随着温度升高而增大，室内热量在压力作用下开始向室外或走廊扩散。在100 s时，走廊上方1.9 m处温度达到4001 000 K，受困人员应迅速俯身逃离火场，降低紧急疏散时的安全风险。综上可知，在实验室氢气火灾初期，应立即采取有效措施，防止火灾扩大，避免恶性事故发生。具体措施包括：在确保人身安全的情况下，及时切断气源；若无法切断气源但火势可控时，持续用水冷却容器直至氢气烧完，避免过热爆炸；采用大量消防水雾喷射其他可燃物质和相邻设备等。4 结语 通过模拟不同泄漏孔径下的实验室氢气泄漏扩散及火灾发现，随着泄漏孔径增大，泄漏氢气的扩散、积聚和燃烧行为容易受到实验室建筑结构的影响。在5和10 mm泄漏孔径下，由于氢气泄漏量较少，氢气主要集中在泄漏点所在房间内，并积聚在室内顶部，这增加了房间发生燃爆的风险；当泄漏孔径增加至25 mm时，氢气泄漏量大幅增加，使得氢气扩散至走廊并向出风口方向输运，但走廊仍可作为安全通道使用。实验室氢气泄漏容易形成喷射火焰，泄漏孔径增大会导致射流火焰高度增加。在10 mm泄漏孔径下，出现顶棚射流火焰现象，可能导致建筑结构破坏；在 丁晓晔，等：高校实验室氢气意外泄漏及火灾数值模拟分析 239 25 mm泄漏孔径下，由强羽流驱动的顶棚射流燃烧释放更多热量，导致室内压力随温度升高而增大，大量热量开始向走廊扩散，使走廊内温度急剧上升，影响人员安全疏散。模拟结果可为实验室氢气泄漏火灾事故的防控和应急处置提供借鉴和参考，在后续研究中，还可以考虑通风条件、泄漏源位置和瞬态泄漏过程，进一步提高模拟的准确性和可靠性。参考文献(References)1 杨勇平.氢能，现代能源体系新密码N.光明日报，2022-05-05(16).YANG Y P.Hydrogen energy,the new code of modern energy systemN.Guangming Daily,2022-05-05(16).2 王振华，蒋军成，尤飞，等.高压氢气储运设施泄漏喷射火过程预测模型及其验证J.化工学报，2021,72(10):5412 5423.WANG Z H,JIANG J C,YOU F,et al.Prediction model for the process of jet fire induced by the leakage of high-pressure hydrogen storage and transportation facilities and its validationJ.CIESC Journal,2021,72(10):54125423.(in Chinese)3 YANG F,WANG T,DENG X,et al.Review on hydrogen safety issues:Incident statistics,hydrogen diffusion,and 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