大规模液氢泛溢后氢气云团扩散行为特征研究

论文摘要

液氢已被广泛地用作新一代航天推进剂,且在燃料电池、氢能汽车等领域展现出良好的应用前景。然而,液氢泛溢到周围环境后,会与空气混合生成易燃易爆氢气云团,严重威胁人员和设备安全。近几十年,诸多研究人员致力于泛溢液氢扩散行为特征方面的实验和数值研究,并取得一定进展。为进一步提高数值计算模型预测精度,掌握气云扩散机制并建立适合工程应用的安全距离预测方法,本文开展了以下研究工作:1)建立泛溢液氢大气扩散行为的数值计算模型。该模型求解混合物连续性方程、动量方程和能量方程,以修正形式的Lee模型预测相间传质速率。数值计算模型考虑了气液相间速度滑移和大气边界层内的风速及湍流分布,且考虑了大气中水的相变。考虑水相变后数值计算模型的预测精度提高,能够较好地预测氢气浓度分布、氢气浓度随时间的变化,以及可视云的位置。2)探究低温氢气云团扩散机制,包括不同泛溢方式（限时泛溢和连续泛溢）下气云空间扩展和稀释规律、云团扩散过程中的湍流扰动机制,以及氢气浓度温度关系等。对限时泛溢,可燃氢气云团的扩散分为初始泛溢阶段、主体扩散阶段和消失阶段;若液氢连续泛溢,可燃氢气云团的空间扩展和浓度分布将达到稳定状态。气云的空间扩展对泄漏源终止具有滞后性,而体积在泄漏源终止后立即偏离原来轨迹。在扩散过程中,泄漏源附近区域、气云顶部和下部背风侧区域会受到较强烈的湍流扰动。在靠近地面和泄漏源的区域,地面导热和液氢蒸发会影响氢气浓度与温度间的关系。3)分析不同工况下泛溢液氢大气扩散规律,包括风场、地面传热、泄漏源和大气湿度。随风速增加,气云稀释速率先减慢后加快。气云迎风面积也会影响稀释过程,大气背景湍流、气云上升引起的湍流扰动、气云迎风面积和泄漏源附近的强湍流扰动共同决定气云稀释速率。因地面与液池间的巨大温差,以及液池扩展半径的补偿,自然环境下地面温度改变对气云扩展和稀释的影响较小。气云稀释受泄漏源出口状态的影响最大,其次是泛溢速率,最后是泛溢总量。大规模液氢泛溢中可燃气云下风向方向扩展距离随大气湿度变化很小。相同温度下气云背风侧氢气浓度值高于迎风侧,背风侧受水相变的影响更大。4)建立安全距离预测方法,研究围堰及其尺寸对风场和气云扩散的影响,并给出液氢泛溢后的防护措施。基于热平衡分析和质量守恒定律,建立液池扩展半径关系式。将可燃气云下风向方向最远扩展距离拟合为参考风速和泛溢速率的函数,关系式的最大相对误差为11.76%。围堰会促进其内部的气云与周围空气混合,显著减小分离距离。气云分离距离随围堰高度的增大而减小;提高围堰的高度-长度比会恶化泄漏源附近的工况。液氢泛溢后,可通过强制通风、铺设碎石砂砾或不平整地面,以及修建围堰等方式促进气云扩散,而地面内的加热装置对减小气云危害范围的作用不明显。

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摘要

Abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 我国能源利用现状和氢能发展前景

1.1.2 氢的性质和存储

1.1.3 液氢泛溢危害

1.2 研究现状

1.2.1 液氢泛溢后续行为特征的实验研究进展

1.2.2 液氢泛溢后续行为特征的数值研究进展

1.2.3 液化天然气泛溢的研究进展

1.2.4 待解决的问题

1.3 本文主要工作

2 泛溢液氢大气扩散行为的数值计算模型

2.1 液氢泛溢物理模型

2.2 数值计算模型

2.2.1 基本控制方程

2.2.2 相间传质速率计算

2.2.3 湍流模型

2.2.4 大气边界层内的风场模型

2.2.5 液池与地面间的传热计算

2.2.6 科里奥利力的影响

2.3 基于NASA实验的模型验证

2.3.1 边界条件和网格划分

2.3.2 数值计算模型准确性验证

2.4 本章小结

3 低温氢气云团演化特性研究

3.1 氢气云团空间扩展特性

3.1.1 限时泛溢

3.1.2 连续泛溢

3.1.3 限时泛溢和连续泛溢对比

3.2 氢气云团稀释特性

3.3 气云扩散中的湍流扰动

3.4 氢气浓度温度关系

3.5 本章小结

4 不同工况下泛溢液氢大气扩散规律分析

4.1 大气边界层风场

4.1.1 风速剖面指数

4.1.2 风速大小

4.2 地面传热

4.2.1 地面传热理论分析

4.2.2 地面导热系数

4.2.3 地面温度

4.3 泄漏源

4.3.1 泛溢总量

4.3.2 泛溢速率

4.3.3 液氢质量分数

4.4 大气湿度

4.4.1 气云空间扩展规律

4.4.2 云团上升速率和湍流扰动

4.4.3 可燃云与可视云范围

4.4.4 水相变下的氢气浓度温度关系

4.5 本章小结

5 安全距离预测方法和防护措施

5.1 安全距离关系式

5.1.1 液池扩展半径

5.1.2 可燃云扩展距离经验公式

5.2 围堰防护作用

5.2.1 围堰作用下的风场

5.2.2 围堰对氢气云团空间扩展的影响

5.2.3 围堰对氢气云团稀释时间的影响

5.2.4 围堰防护评价

5.3 液氢泛溢后的防护措施

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文的创新之处

6.3 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘元亮

导师: 金滔,汤珂

关键词: 液氢泛溢,两相流动,氢气云团,大气扩散,安全距离

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 气象学,环境科学与资源利用

单位: 浙江大学

分类号: X169

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.001882

总页数: 125

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大规模液氢泛溢后氢气云团扩散行为特征研究

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