非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性.pdf

2023 年第 3 期总第 253 期低温工程CRYOGENICSNo.3 2023SumNo.253非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性贾植景1杨申音2赵双双1毕明树1,3任婧杰1,3(1大连理工大学化工学院大连 116024)(2航天氢能科技有限公司北京 100074)(3精细化工国家重点实验室,智能材料化工前沿科学中心大连 116024)摘要:建立了描述开敞空间低温氢气扩散行为的三维数值计算模型,综合考虑非恒定浮升效应和大气风场边界层分布,研究氢气与空气的混合对流行为,并分析了气云温度变化对扩散过程的影响。结果表明,低温氢气在开敞空间的扩散过程表现为强制对流主导、强制对流和自然对流共同作用以及自然对流主导 3 种形式;在混合对流机制支配下,气云内部温度分布不连续,GrRe2比值数和云团形状也呈现出一定的周期性特征;在持续泄漏条件下,云团最远距离和最大高度最终达到周期性稳定状态。关键词:液氢泄漏数值模拟扩散自然对流浮力中图分类号:TQ116.2文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)03-0036-08收稿日期:2023-04-04;修订日期:2023-05-30基金项目:国 家 重 点 研 发 计 划“氢 能 技 术”重 点 专 项(2021YFB4000900)、中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助(DUT22LAB604)。作者简介:贾植景,女,25 岁,硕士研究生。通信作者:任婧杰,女,38 岁,博士,教授。Diffusion characteristics of cold hydrogen gas underunsteady buoyancy effectJia Zhijing1Yang Shenyin2Zhao Shuangshuang1Bi Mingshu1,3Ren Jingjie1,3(1School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)(2Aerospace Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd.,Beijing 100074,China)(3State Key Laboratory of Fine Chemicals,Frontiers Science Center for Smart Materials,School of ChemicalEngineering Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:A three-dimensional numerical model is established to describe the diffusion be-havior of cryogenic gaseous hydrogen in open space.The unsteady buoyancy effect and boundarylayer distribution of the atmospheric wind field are considered comprehensively.The mixing con-vection behavior of hydrogen and air is studied,and the influence of gas cloud temperature changeon the diffusion process is analyzed.The results show that the diffusion process of cryogenic gase-ous hydrogen in open space can be divided into three forms:forced convection dominance,forcedconvection and natural convection dominance,and natural convection dominance.Under themixed convection mechanism,the temperature distribution inside the gas cloud is discontinuous.The ratio numberGrRe2and cloud shape also show periodic characteristics.Under continuous leak-第 3 期非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性age conditions,the maximum distance and height of the cloud finally reach a periodic stable state.Key words:liquid hydrogen leakage;numerical simulation;diffusion;natural convection;buoyancy1引言随着全球能源转型与清洁能源的发展,目前,各国将氢能作为国家发展重点之一,中国、日本、美国、英国等国家将氢能产业放在国家的战略高度上,发布政策,不断提升氢能的支持力度1。使用氢能是中国未来的能源发展方向,是实现绿色低碳发展的重要途径2。然而,液氢是一种易燃的物质,具有潜在的危险性,很微量的液氢一旦泄放出来就会生出很多氢气,氢气燃烧范围大、易燃易爆、易泄漏易扩散,在氢储运过程中容易发生意外,产生燃爆风险。液氢储存温 度仅为 20 K 左 右,会 冻 伤 人 体 组 织。因此,为了确保液氢的安全使用,研究液氢泄漏后续传热传质规律,及时制定并实施有效的防护措施具有重要意义3。液氢泄漏的实验主要由美国国家航空航天局、德国材料监测协会和英国健康和安全实验室开展。美国国家航空航天局进行大规模液氢泄漏实验4-5,研究由很大量级的液氢泄漏造成的可燃云团的成因及扩散特性。德国材料监测协会开展了在建筑物间的液氢倾倒的实验,研究液池扩散特性以及可燃云团的形成规律以及扩散特性6。英国健康和安全实验室开展了对运输车上的液氢储罐进行大空间泄漏后的点火实验,进一步研究了未点燃的氢气云团的扩散规律以及液氢泄漏后地面成池的规律,同时还研究了在不同存储条件下的泄漏扩散行为7-8。液氢实验具有危险性,很多采用数值模拟的方式来进行研究。开展液氢泄漏后的流体流动仿真模拟,通过得到的流场区域内氢气流动与扩散轨迹为燃爆分析奠定基础,并且可以更清晰掌握冷氢气的流动走势,预测氢气云团的长度和高度以及可燃气云的范围。王雅文等研究了大规模的液氢泄漏过程,将泄漏过程中氢气云团的宏观扩散过程与 NASA 的实验数据进行了对比验证9。浙江大学的金滔等采用 Flu-ent 模拟研究了风速、风温和地面温度对液氢泛溢后氢气云团浓度分布的影响10。Jincheng Xiao 等人建立了基于反向传播算法的氢能扩散(ANN)模型,用于预测氢能水平扩散距离和垂直扩散距离11。华中科技大学的王峰等使用 FLACS 对液氢加氢站液氢泄漏情况进行了模拟,并分析了不同风向对泄漏液氢扩散情况的影响。研究结果表明,不同风向下液氢泄漏后果差别很大,根据目前的加氢站结构,运输车的存在有 很 大 的 爆 炸 危 险 性12。西 安 交 通 大 学 XinTang13使用 Fluent 模拟低温液氢在开放空间、隧道、车库泄漏的情况发现在开放空间释放的液氢可燃氢气云体积最大。刘元亮14建立了基于 N-S 方程的液氢扩散的计算模型,用 NASA 实验数据进行验证,分析了云团的稀释特性以及湍流扰动,探究了温度、大气边界层、地面传热特性、泄漏源和大气湿度对氢气云团扩散的影响规律。Pu L 等15进行液氢泄漏成池的模拟研究,观察到时间很短的瞬间液氢泄漏,低温带来的寒冷对人危害不是很大,但仍有可能造成火灾或爆炸。Witcofski R D16等人进行了氢蒸气云分散实验,进行实验是为了获得有关控制由于大量液氢溢出而形成的易燃云扩散的物理现象的基本信息。周宁等人17采用 Fluent 软件建立了 LNG 泄漏扩散模型,研究了大气温度对 LNG 泄漏扩散过程影响。M.Ichard 等人18用计算流体力学软件 FLACS,来模拟HSL 系列实验液氢泄漏扩散和蒸发过程,采用 HEM方法,并 考虑氮氧相 变发现冷凝 对 流 场 没 有 特 别影响。对于非恒定浮升效应对液氢泄漏扩散的影响还需继续研究。本研究建立了开敞空间低温氢气云团过程的瞬态 CFD 模型。研究氢气云团扩散过程,引入混合对流比值数GrRe2=glTu2来评价浮升力和惯性力作用范围,研究近场区域冷氢气与空气混合对流机制,揭示液氢泄漏扩散过程中温度变化对云团扩散规律的影响。研究扩散氢气扩散变化规律。为进一步研究提供理论依据。2仿真模型建立及验证2.1数值模型采用 Realizable k-湍流模型、组分运输模型与Mixture 多相流模型来模拟冷氢气与空气混合对流扩散过程。73低温工程2023 年基本控制方程,连续性方程、动量方程和能量方程分别为:mt+(mm)=0(1)t(mm)+(mmm)=-p+m(m+Tm)+mg+(2i=1iidr,idr,i)(2)tni=1(iihi)+ni=1(ii(ihi+p)=(T)+SE(3)式中:m为混合密度,kg/m3;表达式为:m=nk=1kk,k和 n 分别为每一相的体积分数和相数;T 为温度,K;m为混合粘度,kg/(m s),表达式为:m=nk=1kk;udr,k=uk-um为第 k 相的滑移速度,m/s。为有效导热系数,W/(m K)。SE为体 积 热 源,J/m3。混 合 相 的 平 均 速 度 为 um=nk=1kkukm,m/s;hk为 k 相的焓值,J/kg。采用 Realizable k-模型进行湍流运算。Realiza-ble k-模型满足雷诺应力的数学约束,与实际湍流过程一致。与标准模型相比,可实现模型有了实质性的改进,对于分离流和具有复杂二次流特征的流的验证,可实现的模型在所有的模型版本中提供了最好的性能。该模型已在广泛范围的流动中得到广泛验证。k 和 的输送方程分别为:t(k)+xj(kuj)=xj+tk()kxj+Gk+Gb-(4)t()+xj(uj)=xj+t()xj +C1E-C22k+C1kC3Gb(5)其中,C1=max 0.43,+5,=2SijSjik,Sij=12uixj+ujxi(),=Ck2;模型常数 为C1=1.44,C2=1.9,k=1.0,=1.2。式中:为密度,kg/m3;k 为湍流动能,J;为耗散率。为粘度,kg/(ms)。u 为速度,m/s。在 Realizable k-模型中分别用 Gb和 C1kC3Gb表示,因浮力而产生的湍动能为:Gb=TgitPrtTxi,式中,T为热膨胀系数,m/K。其表达式为 T=1T()。液氢泛溢发生在有温度梯度的重力场中,计算中考虑了因浮力产生的湍动能 k 和相应湍流耗散 的生成。2.2参数设置及边界条件以 NASA 大规模液氢泛溢实验为基础,建立了液氢泛溢几何模型如图 1 所示,计算域整体呈现为六面体的形状,建立了顺风向(x)、横风向(y)和高度方向(z)上的大空间三维几何模型,流体域长 200 m 宽60 m高 80 m,泄漏源为 0.5 m 0.25 m 的平面,围堰的高度为 0.6 m,厚度为 0.25 m,内径为 9.1 m,模拟的入口条件为从地面上蒸发的冷氢气垂直于地面向上蒸发,蒸发速度为 0.18 m/s,大气温度为 288 K,地面设为无滑移壁面,初始温度设为 288 K。地面材料为沙土,且密度、比热和导热系数分别为 2 371 kg/m3、880 J/(kgK)和 1.13 W/(mK)。图 1液氢泄漏扩散示意图Fig.1Schematic diagram of liquid hydrogenleakage and diffusion计算域左端设为速度入口,给定 AIJ 建议的指数型速度剖面,风速为指数函数,在 10 m 高度处风速设置为 3 m/s,因 NASA 实验在沙漠中开展,风速剖面指数 取 0.10。通过编写 UDF 导入 Fluent 更改风入口边界条件。计算域右侧和顶部为压力出口,设为标准大气压 101 325 Pa。此外,背部面设为对称面,认为足够远离生成的氢气云团,平面上没有任何通量,包括垂直速度和所有变量的垂直梯度。计算使用 Realizablek-模型。由于氢气密度随温度变化显著,受到的浮力增大,考虑非恒定浮升效应对扩散的影响,不可以采用理想气体效应,使用 RefProp 计算氢气随温度变化的物性参数,通过设置 Piecewise-Linear-Functions 来实现密度随温度的变化。氢气密度随温度变如图 2 所示。83第 3 期非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性图 2氢气密度随温度变化图Fig.2Diagram of hydrogen density versus temperature低温下的氢气泄漏涉及许多复杂的物理变化。为简化计算,可以采用以下假设。(1)空气中氮和氧主要在泄漏源处相变,对整个流动过程影响较小。因此,可以只考虑液氢蒸发产生的冷氢,忽略空气中氮和氧的冷凝相变。(2)由于液氢是常压泄漏,因此在整个过程中,由于气相压力变化较小,因此可以将气相视为不可压缩流体,以便进行近似计算。采用 PI-SO 算法,一般用于求解瞬态问题,时间步长为 0.01 s,共计算 50 s。2.3网格划分及无关性验证针对几 何 模 型 进 行 网 格 划 分,为 提 升 网 格 质量,对围堰部分进行 O 型切分,结构三维网格如图 3所示。并对泄漏源处和边界层处进行加密。网格总体质量 较好。网格数量为 1 588 358 进行数值模拟。图 3 网格划分图Fig.3Grid plot选择 3 种不同网格数来开展网格无关验证,分别为 749 606,1 588 358,2 224 381。模拟风为指数型速度剖面,计算泄漏经过的第 14 s 时,在不同下风向距离上 的 氢 气 浓 度 分 布 如 图 4 所 示,网 格 数 为1 588 358和 2 224 381 时,浓度分布基本一致,可以认为网格数增加到 1 588 358 时,计算精度不再随网格数增多而提高,因此采用 1 588 358 的网格展开计算。图 4不同网格数下氢气浓度分布Fig.4Hydrogen concentration distribution underdifferent grid numbers2.4模型验证通过观察,模拟结果与 NASA 实验进行对照,如图 5 所示的氢气云团扩散趋势具有较为一致的规律,浓度分布也较为一致。浓度分布具有相似性,模拟计算在环境温度为 288 K 时,大量低温氢气与空气不断混合扩散,氢气云团浓度高于 28%的区域与实验较为一致,都是处于横坐标为 20 m,纵坐标为 10 m 的矩形区域内,氢气云团浓度低于 28%的在矩形外。21 s 时刻 NASA 实验的云团下风向距离为 37 m,模拟计算得到的云团下风向距离为 40 m,误差为 8.1%。从上面的分析可以得出,本研究建立的数值计算模型可较为准确地预测泛溢液氢大气扩散行为特征。但模拟结果与实验值间存在一定误差,由于实验过程中外界环境的不稳定性,实验中氢气浓度波动较大而模拟结果较为平稳,但整体形状和趋势保持一致。3数值模拟结果与讨论3.1冷氢气扩散过程模拟以 0.18 m/s 蒸发出的冷氢气垂直液池向上运动,流场内不同时刻,Y=30 平面上氢气体积分数与温度分布云图如下所示。从图 6 中可以看出,扩散运动具有周期性并可以大致分为 3 个阶段最后达到93低温工程2023 年图 5NASA 实验和模拟对称面上氢气浓度云图Fig.5NASA experimental and simulated hydrogen gas concentration cloud image on the plane of symmetry图 6氢气扩散形态图Fig.6Hydrogen diffusion morphology diagram稳定状态。通过观察分析得到云团扩散具有一定的周期性。随着时间的变化,呈现出周期性的变动,12 s 时,氢气云团在靠近泄漏点处以与地面倾角较大的角度上升,在 16 s 时,氢气云团在靠近泄漏点处以与地面倾角较小的角度上升,可以观察到随着扩散的进行,20 s,28 s,以及 36 s 都类似于 12 s 时刻,泄漏点附近氢气云团扩散方向与地面倾角较大,而 24 s,32 s,以及40 s都更加类似于 16 s 时刻,泄漏点附近氢气云团扩散方向与地面倾角较小,因此在扩散过程的前 40 s内,氢气扩散过程具有一定的循环规律,每隔 4 s 会进行扩散倾角的变换,每隔 8 s 又将重复上一个 8 s的运动形态趋势,呈现规律性变动。在 40 s 之后,氢气云团扩散形态趋于稳定,几乎保持不变。04第 3 期非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性自由出流阶段:泄漏刚刚发生,泄漏出的液氢量较少,主要受相变及初始动量影响,扩散十分不稳定。随着泄漏的进行,冷氢从周围空气中吸取热量,冷氢气密度随着温度升高而降低,与空气形成更大的密度差,浮升力增大,与此同时,随着冷氢向上运动,风速逐渐增大,惯性力也增大,因此扩散受强制对流和自然对流共同控制。由于密度差越来越大,浮升力作用逐渐占主导作用,云 团 主 要 呈 现 上 升 运 动。扩 散 是 自 然 对 流主导。随着泄漏的持续发生,流场内部的温度、浓度分布几乎不再随时间的变化而变化。云团不断上浮最终飘向高空。40 s 以后气体云团几乎保持不变。3.2氢气云团扩散机理温度对氢气扩散产生重要影响,如图 7 所示可以看到截面上氢气温度云图和浓度云图呈现相反趋势,两云图在外形上基本保持一致,并且随着氢气的周期性运动,温度云图也呈现出一定的周期性变化,每隔 8 s 重复上一个周期的变化。由于泄漏初期泄漏源附近的冷氢气聚集,氢气温度很低,所以此处区域表现出温度很低,随着扩散的进行,云团不断卷吸空气,不断与空气换热,可燃氢气云团边缘处温度已与周围空气温度相近。随着温度的变化,流域内物质的物理性质发生较大变化,对氢气云团扩散产生较大影响。图 7氢气云团温度云图Fig.7Temperature nephogram of hydrogen cloud基于以上论述,要对流场内不同时刻不同区域的云团分析,来研究为何不同区域会产生不同行为形态的氢气云团。格拉晓夫数是作用在流体上的浮力与粘性力的比值,表达式为 Gr=gl3T2,随着氢气与空气混合,云团的外层的温度不断增加,氢气密度减小,浮升力逐渐增大。雷诺数是惯性力与粘性力的比值,表达式为 Re=ul。由于风场采用 AIJ 推荐的指数型风剖面,指数型风速剖面表达式为 u(z)=u0zz0(),式中,u0为参考高度 z0处的风速,z0一般取为 10 m,随着高度的增加,风速呈现指数增加。因此,随着高度的增加惯性力也随着速度的增大而增大。应用相似分析法可知,混合对流由浮升力与惯性力的对比来判定自然对流对扩散影响程度的大小。这个对比参量可以从特征数 Gr、Re 的组合中消去粘度得到:GrRe2=gTlu2为判定标准。一般认为若GrRe2 0.01,扩散过程中自然对流影响可以忽略,若GrRe2 10,则扩散过程中强制对流对于自然对流的影响可以忽略不计,若 0.01 GrRe2 10,则为混合对流,两种对流传热影响都应加以考虑。如图 8 所示,初始时刻由于冷氢气温度很低,温差很大,所以冷氢蒸发垂直地面向上运动,在风和浮力的共同作用下,14低温工程2023 年气云不断与周围空气混合并向下风向和高度方向扩展,初始阶段,比值较小,因此云团浮力作用不明显,惯性力占主要作用,云团主要是有向前运动的趋势。氢气密度随温度变化较大,随着扩散的推进温度不断升高,氢气密度随着温度的升高不断减小,随着氢气密度的不断减小,空气和氢气之间的密度差不断增大,云团外层密度差较大,浮力逐渐增大,无量纲数也逐渐增大,与此同时虽然随着云团向上运动,风速增大,惯性力也增大,但是通过计算无量纲数可以知道浮升力的增加速度远大于惯性力的增加速度,云团外侧受到的浮力很大,无量纲数较大的区域云团受浮力主导,云团更具有向上运动的趋势。图 8不同时刻云团比值数图Fig.8Figure of cloud cluster ratio at different times3.3氢气云团的流场变化分析随着扩 散 的 不 断 进 行,氢 气 云 团 不 断 卷 吸 空气,流场中流线的总体变化趋势可以表示出空气的流动趋势以及氢气云团的变化趋势。在流场内,云团微团流动过程中在云团前端聚集,此处流体运动速度较快,由于云团前端最先与温度较高的空气接触,因此此处换热最快,云团微团集中在此,形成了一个聚集的流线区域。流线密集处的上升变化倾角与氢气云团的上升变化倾角几乎一致,即流场中流速最大处的变化与氢气云团的变化也保持一致。在靠近泄漏点 处,受冷氢 气与空气相 互作用的 影响,流场与氢气云团均呈现出先上升后平稳扩散的周期性变化趋势。随着扩散的持续进行,周期性变化逐渐消失,流场与氢气云团均保持斜向上的变化趋势。图中黑色线条为云团轮廓线,由图 9 可知,流场在水平方向和高度方向的变化趋势均与云团轮廓有关。在云团轮廓内,流场在高度方向和水平方向上变化明显,且与氢气云团变化保持一致,而在云团轮廓外,主要为空气流入,因此流场趋于水平和水平风场趋于一致。在氢气云团上方,流场受氢气云团的影响变化很小。3.4云团最远距离最大高度变化趋势通过以上对氢气云团扩散的分析,以 1/2 气体爆炸下限作为安全与否的判定标准。可以看到黑色轮廓线即是代表 1/2 气体爆炸下限,它随着扩散的不断进行,向着更远更高的方向推移,如图 10 所示,气云的长度距离随着时间的变化不断增大,气云的高度距离随着时间的变化也是不断的增大,但是在 40 s 时有所下降,由于云团不断扩散在云团外侧会有部分与云团总体脱落,所以会有短暂的下降,但随着扩散的稳定推进,以 1/2 气体爆炸下限为轮廓的云团长度距离稳定在 100110 m 附近,高度距离稳定在 6070 m附近。根据云团扩散范围,可以更好制定相应的防护措施。4结论通过仿真计算并与实验对照,建立的液氢泄漏扩散模型误差可以接受,可以得到液氢泄漏扩散特性规律。得到的主要结论如下:(1)低温氢气在开敞空间的扩散过程表现为强制对流主导、强制对流和自然对流共同作用以及自然对流主导 3 种形式。计算的比值数和云团形状也呈24第 3 期非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性图 9流场内流线图Fig.9Flow field inner streamline diagram图 10云团长度和高度随时间变化图Fig.10Variation of cloud length and height over time现出一定的周期性特征。(2)泄漏源附近主要是强制对流和自然对流共同控制,随后由于氢气密度随温度变化显著,受到的浮力逐渐增大,浮升现象明显,氢气云团上升趋势明显,主要受自然对流主导。(3)冷氢气泄漏扩散过程中流场内流线集中在氢气云团先与空气接触的部分。氢气云团长度距离随着时间的变化不断增大,云团高度也随着时间的变化总体趋势不断变大,在持续泄漏条件下,云团最远距离和最大高度最终达到周期性稳定状态。根据可燃云团的扩散范围,为更好制定相应的防护措施提供依据。参考文献1 赵玉晴,蒋文明,刘杨.氢能产业发展现状及未来展望J.安全、健康和环境,2023,23(1):1-12.Zhao Yuqing,Jiang Wenming,Liu 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