液氫泄漏事故中氫氣可燃云團(tuán)的擴(kuò)散規(guī)律研究

邵翔宇,蒲亮,,雷剛,李強(qiáng),厲彥忠,

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安; 2.航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 100028, 北京)

液氫將逐步作為主流推進(jìn)劑,廣泛應(yīng)用于發(fā)射空間站、載人登月、登陸火星和深空探測(cè)領(lǐng)域[1]。雖然液氫與其他推進(jìn)劑相比具有顯著優(yōu)勢(shì),但其易擴(kuò)散、可燃范圍寬(4%～75%)、點(diǎn)火能量小(0.019 mJ)的特點(diǎn),使得其在貯存、運(yùn)輸、加注過(guò)程中存在嚴(yán)重的安全隱患,歷史上曾發(fā)生過(guò)多次由液氫泄漏引起的安全事故[2-3]。因此,開(kāi)展液氫泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究,對(duì)于預(yù)防和避免火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生,指導(dǎo)事故應(yīng)急處置,降低人身和財(cái)產(chǎn)損失,有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了6組液氫泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究[4-9],其中美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)進(jìn)行的大流量瞬時(shí)泄放實(shí)驗(yàn),英國(guó)健康與安全實(shí)驗(yàn)室(HSL)進(jìn)行的小流量連續(xù)泄放實(shí)驗(yàn),具有較強(qiáng)的代表性。NASA于1980年在白沙試驗(yàn)基地(WSTF)進(jìn)行的液氫泄放實(shí)驗(yàn),獲得了液氫池的大小和測(cè)點(diǎn)的氫氣濃度等數(shù)據(jù),以及可見(jiàn)云團(tuán)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程[5,10],但是該實(shí)驗(yàn)并未獲得遠(yuǎn)場(chǎng)(監(jiān)測(cè)塔之外)的氫氣濃度場(chǎng)。2011年,HSL在山谷中進(jìn)行了14次液氫泄放實(shí)驗(yàn),來(lái)模擬液氫儲(chǔ)罐在轉(zhuǎn)注過(guò)程中連接軟管的泄漏事故[8]。與其他實(shí)驗(yàn)不同的是,部分實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了液氫池附近空氣組分(氧氣和氮?dú)?的凝華現(xiàn)象,在4次點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)中也得到了火焰速度、熱輻射通量等數(shù)據(jù),但該實(shí)驗(yàn)同樣僅獲得了近場(chǎng)的氫氣濃度場(chǎng)。此外,國(guó)內(nèi)唯一有液氫實(shí)驗(yàn)資質(zhì)的北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所也在2016年進(jìn)行了小規(guī)模的液氫泄放實(shí)驗(yàn)[9]。

考慮到液氫泄放實(shí)驗(yàn)的安全和經(jīng)濟(jì)因素,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者采用CFD來(lái)模擬上述實(shí)驗(yàn),并得到了一些有益的結(jié)論。文獻(xiàn)[7,11]分別采用ADREA-HF、FLACS程序驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究的可行性;文獻(xiàn)[12-13]研究了環(huán)境濕度和大氣穩(wěn)定度對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響;文獻(xiàn)[14-15]研究了風(fēng)溫、風(fēng)速、地溫及空氣中氮氧液化對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響;文獻(xiàn)[16]研究了典型季節(jié)溫度、風(fēng)速、大氣壓力對(duì)可燃云團(tuán)擴(kuò)散的影響規(guī)律。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然開(kāi)展了一些液氫泄漏擴(kuò)散方面的研究,但很少關(guān)注可燃云團(tuán)整個(gè)擴(kuò)散進(jìn)程中的行為特性。本文以NASA的大規(guī)模液氫泄放實(shí)驗(yàn)為物理模型,在文獻(xiàn)[16]數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上,對(duì)處于可燃濃度下限的可燃云團(tuán)的宏觀擴(kuò)散行為特性進(jìn)行了研究,以期為事故的安全評(píng)估提供理論指導(dǎo)。

1 物理現(xiàn)象

液氫泄漏到大氣環(huán)境后所發(fā)生的物理現(xiàn)象,可分為以下4個(gè)階段[17-18],液氫泄漏后的物理現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 液氫泄漏后的物理現(xiàn)象[18]

(1)由于環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于液氫的飽和溫度,當(dāng)泄漏速度小于瞬時(shí)氣化速度時(shí),液氫將在泄漏口附近快速氣化;若泄漏速度大于瞬時(shí)氣化速度,少量的液氫在泄漏口附近氣化,剩余的液氫在固體、液體壁面累積并逐步擴(kuò)展為液池,直至氣化速度等于液化速度時(shí),液池停止擴(kuò)展,達(dá)到最大面積。

(2)液池在擴(kuò)展的過(guò)程中不斷吸收固體、液體壁面以及大氣環(huán)境中的熱量(主要為壁面導(dǎo)熱[19])而蒸發(fā)。在壁面處由于極大溫差(約280 K)的存在,導(dǎo)致液體沸騰,而在液池和空氣的交界面處,液池與環(huán)境的對(duì)流和輻射換熱,使得液氫進(jìn)一步氣化,于是液池面積開(kāi)始逐漸縮小,分裂為若干小液池,直至消失。在此過(guò)程中,快速的氣化存在發(fā)生急劇相變爆炸RPT的可能。

(3)氣化后的低溫氫氣與周圍空氣之間存在著較大的溫差,使得二者快速混合,并在大氣湍流的作用下加速混合、擴(kuò)散,直至擴(kuò)散至安全濃度(<4%)。

(4)上述液氫泄漏、氣化和低溫氫氣擴(kuò)散的過(guò)程中,可燃云團(tuán)遇到合適的點(diǎn)火源,將發(fā)生燃燒、爆炸甚至爆轟事故。

2 物理模型

2.1 實(shí)驗(yàn)描述[5,10]

NASA共進(jìn)行了7次液氫泄放實(shí)驗(yàn),其中第6次獲得了較為全面的數(shù)據(jù)。5.7 m3液氫自杜瓦經(jīng)絕熱管道(長(zhǎng)為30 m,內(nèi)徑為15.2 cm)從泄放口泄放到開(kāi)放空間,泄放時(shí)間為38 s。泄放口位于一個(gè)直徑為9.14 m的圓形池子(地表為壓實(shí)的沙子)中心。環(huán)境溫度為15 ℃,相對(duì)濕度為29%,風(fēng)速為(1.75±0.55) m/s,大氣壓力為78 630 Pa。在下風(fēng)向布置了9個(gè)19.5 m高的監(jiān)測(cè)塔,每個(gè)監(jiān)測(cè)塔上設(shè)有熱電偶、氫氣傳感器、氣體取樣瓶和湍流指示器,監(jiān)測(cè)塔到泄放口距離為R,如圖2所示。此外,在泄放口外圍1、2、3 m處設(shè)置熱電偶,用以探測(cè)液氫池的動(dòng)態(tài)變化,可見(jiàn)云團(tuán)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程會(huì)被攝像機(jī)記錄下來(lái)。雖然低溫氫氣并不可見(jiàn),但當(dāng)其溫度低于環(huán)境空氣中水蒸氣的飽和溫度時(shí),造成水蒸氣的冷凝并反射光線,使得無(wú)色的氫氣云團(tuán)被觀測(cè)到,因此稱其為可見(jiàn)云團(tuán)。

圖2 監(jiān)測(cè)塔及儀表布置圖[5]

實(shí)驗(yàn)中,可見(jiàn)云團(tuán)的持續(xù)時(shí)間為90 s,水平、豎直方向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離分別為160、65 m,可見(jiàn)云團(tuán)邊緣對(duì)應(yīng)的氫氣體積分?jǐn)?shù)為6.7%。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在400 m×100 m×60 m的空間區(qū)域內(nèi),選取一半作為計(jì)算域,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在(0,0,0)處,泄放口位于(24.70 m,0,0)處。在靠近泄放口的位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密,遠(yuǎn)離泄放口的位置網(wǎng)格逐漸稀疏,網(wǎng)格總數(shù)為538 049,水平方向最小、最大網(wǎng)格尺寸分別為300、2 176 mm,豎直方向分別為70、1 361 mm,全場(chǎng)網(wǎng)格尺寸放大因子小于1.2,計(jì)算域離散示意圖如圖3所示。x=0平面為空氣入口,風(fēng)速廓線采用對(duì)數(shù)律分布,10 m高處風(fēng)速為2.2 m/s,x=400 m平面為空氣出口,z=0、-30 m和y=100 m平面為對(duì)稱面邊界,y=0平面為無(wú)滑移壁面,液氫泄放口為質(zhì)量流量入口[16]。

圖3 計(jì)算域離散示意圖(z=0)[16]

3 數(shù)值求解方法

3.1 控制方程及代數(shù)方程

混合模型(Mixture)是一種簡(jiǎn)化的多相流模型,考慮相間速度滑移時(shí)為非均相模型(NHEM),否則為均相模型(HEM)。在液氫泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究中,HEM被廣泛采用[14,19-20],但Giannissi等的研究[21]發(fā)現(xiàn),與HEM相比,NHEM的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更為接近。本文采用NHEM模型來(lái)解決氣液相的混合問(wèn)題,采用增強(qiáng)壁面函數(shù)處理的Realizablek-ε湍流模型模擬湍流現(xiàn)象。液相p(第二相)為液氫(LH2),氣相q(主相)為空氣(air)和氫氣(H2)的混合物。混合物的質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程、第二相的體積分?jǐn)?shù)方程、相變模型、組分傳輸模型[16]如下。

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

ρmg+F+

(2)

能量方程

(3)

液相的體積分?jǐn)?shù)方程

(4)

氣、液相之間的滑移速度

(5)

相變模型

(6)

組分輸運(yùn)方程

(7)

3.2 模型設(shè)置

在LH2泄漏和擴(kuò)散之前,首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算,作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初場(chǎng),穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)速度云圖如圖4所示。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中,LH2的泄放條件通過(guò)自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)(038 s,0),蒸發(fā)相變系數(shù)為0.25。壓力速度耦合采用PISO算法,對(duì)流項(xiàng)采用QUICK格式離散,時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s,收斂判據(jù)為0.001[16]。

圖4 穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)速度云圖(t=0)

4 數(shù)值模擬結(jié)果

在前期研究中,通過(guò)與NASA實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了上述數(shù)值模型的精度[16]。在本節(jié)中,將對(duì)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析,通過(guò)H2和空氣云團(tuán)內(nèi)部物理量(體積分?jǐn)?shù)、溫度、密度)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,以及豎直方向擴(kuò)散范圍的研究,來(lái)揭示其在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散行為特性。

4.1 濃度場(chǎng)變化規(guī)律

為直觀展示H2和空氣云團(tuán)的演變過(guò)程,圖5給出了不同時(shí)刻H2的濃度場(chǎng),t為自LH2泄放開(kāi)始的時(shí)間。由圖5可知:在LH2泄放期間(t=10 s),由于LH2在由液態(tài)向氣態(tài)H2轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,其體積有了很大程度的膨脹,伴隨著周圍空氣被卷吸進(jìn)入H2云團(tuán),其在浮力作用下開(kāi)始上升,但在泄放口處不斷有LH2向H2轉(zhuǎn)變,其尾部并未脫離地表,同時(shí)在外界大氣湍流的作用下,云團(tuán)向下風(fēng)向偏移,因此在此階段云團(tuán)呈現(xiàn)出與地表在下風(fēng)向有一定夾角的上浮狀態(tài);在LH2停止泄放后(t=40～60 s),云團(tuán)與周圍空氣在溫差作用下發(fā)生急劇混合換熱,浮力逐漸超過(guò)重力,致使云團(tuán)脫離地表并上升到更高的高度,同時(shí)在大氣湍流和局部旋渦的共同作用下,云團(tuán)內(nèi)部H2濃度表現(xiàn)出較為顯著的不均勻、不連續(xù)現(xiàn)象;在云團(tuán)浮升階段之后(t>60 s),云團(tuán)基本維持在一定高度上,并在大氣湍流的作用下,沿下風(fēng)向飄移,相比較前兩個(gè)階段,此階段可燃云團(tuán)的體積變化非常緩慢。

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

(d)t=60 s (e)t=80 s (f)t=110 s圖5 不同時(shí)刻H2的濃度場(chǎng)

圖6給出了H2和空氣云團(tuán)最大H2濃度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。由圖6可知:在LH2泄放期間(t≤38 s),最大H2體積分?jǐn)?shù)基本高于70%;在停止泄放較短時(shí)間內(nèi)(38114 s之后,H2和空氣云團(tuán)體積分?jǐn)?shù)降至可燃體積分?jǐn)?shù)下限以下。

圖6 H2和空氣云團(tuán)最大H2體積分?jǐn)?shù)[16]

4.2 溫度場(chǎng)和密度場(chǎng)變化規(guī)律

H2和空氣云團(tuán)最低溫度的變化規(guī)律如圖7所示,可知在LH2泄放期間最低溫度接近飽和溫度(≈20 K),停止泄放后(38

圖7 H2和空氣云團(tuán)最低溫度

H2和空氣云團(tuán)密度極值的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖8所示,可知H2和空氣云團(tuán)的最大密度在整個(gè)LH2泄放期間均大于空氣密度,因此該階段云團(tuán)尾部的重力大于浮力,使其貼近地表,而云團(tuán)最小密度曲線顯示,在該階段其頭部密度小于空氣密度,使其在浮力作用下上升,這點(diǎn)進(jìn)一步解釋了圖5中t=10 s H2云圖的形態(tài)。在38

圖8 H2和空氣云團(tuán)最大和最小密度

4.3 豎直方向擴(kuò)散范圍

圖9進(jìn)一步定量地展示了可燃云團(tuán)在豎直方向的擴(kuò)散范圍(最小離地高度和最大離地高度)。由圖9可知,在LH2泄放期間(t≤38 s),可燃云團(tuán)(LFL)頭部呈不斷上升趨勢(shì),最高約50 m,其尾部始終貼近地表;停止泄放后的較短時(shí)間內(nèi)(≈8 s),可燃云團(tuán)尾部脫離地表,并快速上升,至約65 s后緩慢上升,維持在40 m左右的高度。

圖9 可燃云團(tuán)(LFL)豎直方向的擴(kuò)散范圍

由4.1、4.2節(jié)可知,造成LH2停止泄放后短期內(nèi)可燃云團(tuán)快速上升,并隨后維持一定高度的原因,是低溫H2與周圍空氣在巨大溫差的作用下而發(fā)生急劇混合換熱,導(dǎo)致可燃云團(tuán)在浮力作用下升高,隨著溫差和密度差的減小,局部混合的動(dòng)力減弱,可燃云團(tuán)不再升高,維持在一定高度隨風(fēng)移動(dòng)。值得注意的是,雖然可燃云團(tuán)存續(xù)時(shí)間為114 s,但在液氫停止泄放約20 s內(nèi)(t≤65 s),可燃云團(tuán)快速升高并維持在數(shù)十米的高度,據(jù)此有理由推斷,對(duì)此類開(kāi)放空間的液氫泄放事故(5 m3量級(jí)),發(fā)生燃燒/爆炸事故的可能性較小,即便發(fā)生此類事故,對(duì)地面人員或建筑物的影響也有限。

4.4 宏觀擴(kuò)散行為特性

對(duì)于本文研究的開(kāi)放空間LH2泄放工況,可燃云團(tuán)的宏觀擴(kuò)散行為可歸納為3個(gè)階段:①重氣擴(kuò)散階段,該階段主要位于LH2泄放期間,云團(tuán)尾部貼近地表,頭部上浮,與地表在下風(fēng)向呈一定夾角;②浮升擴(kuò)散階段,該階段是可燃云團(tuán)擴(kuò)散歷程中的主要階段,H2體積分?jǐn)?shù)快速下降,其發(fā)生在停止泄放后很短時(shí)間內(nèi)(t2<10 s),云團(tuán)尾部脫離地表,隨后快速上浮,上升至數(shù)十米高度;③被動(dòng)擴(kuò)散階段,該階段在可燃云團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程中占據(jù)大部分時(shí)間(t3≈6t2),云團(tuán)維持在數(shù)十米高度,并在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下漂移,云團(tuán)H2體積分?jǐn)?shù)下降非常緩慢。

5 結(jié) 論

(1)開(kāi)放空間里H2可燃云團(tuán)的宏觀擴(kuò)散行為,可分為重氣擴(kuò)散階段、浮升擴(kuò)散階段和被動(dòng)擴(kuò)散階段。重氣擴(kuò)散階段長(zhǎng)短主要依賴于LH2泄漏時(shí)間,被動(dòng)擴(kuò)散階段占據(jù)可燃云團(tuán)擴(kuò)散的絕大部分時(shí)間。浮升擴(kuò)散階段為可燃云團(tuán)擴(kuò)散的最主要階段,發(fā)生在較短時(shí)間內(nèi),該階段H2體積分?jǐn)?shù)快速下降至較低水平,同時(shí)云團(tuán)快速上升,到達(dá)數(shù)十米高空。

(2)在較低風(fēng)速下,溫差導(dǎo)致的低溫H2與周圍空氣的局部湍流混合,是主導(dǎo)可燃云團(tuán)擴(kuò)散的主要因素。隨著溫差減小,局部混合的動(dòng)力減弱,使得云團(tuán)在被動(dòng)擴(kuò)散階段擴(kuò)散非常緩慢。

(3)對(duì)于開(kāi)放空間5 m3量級(jí)的LH2泄漏事故,風(fēng)速為2.2 m/s時(shí),在停止泄放8 s內(nèi)可燃云團(tuán)即脫離地表,并維持在約40 m的高度,發(fā)生火災(zāi)/爆炸事故的可能性較小,即使使發(fā)生此類事故,對(duì)地面人員或建筑物的影響也有限。