氫氣-空氣泄爆理論預測模型研究

韓森，沈致和，汪興

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

為了解決日益嚴重的能源危機和環境污染問題，迫切需要開發潔凈、經濟的新能源。氫具有燃燒無污染、效率高等優點，氫的利用等方面的研究被世界各國高度重視。截止2017年1月，全球已經有兩百多個加氫站投入運營，相應的氫汽車也是逐年增加。然而氫氣具有密度小、點火能量低、爆炸極限寬（4%～75%）、燃燒速度快等特點。一旦氫氣儲存和使用不當而發生泄漏，在外界點火源作用下可能會發生火災甚至造成爆炸等災害事故。而爆炸事故一旦發生，其損失是不可估量的。因此為了預防和減少事故發生的危害，迫切需要發展氫防爆抑爆技術。

泄爆作為一種最有效降低氫爆炸超壓的方式，獲得研究者大量關注，國內外開展了大量的實驗研究和理論研究。郭進等人[1-5]在帶有泄口面積為49的圓柱形小容器（V=12266cm3）中進行了不同工況下的實驗研究，實驗研究發現在同種泄口面積下，不同的氫氣濃度、不同的點火位置（前、中、后）對最大超壓的影響。Daubech等人[6]在2m×2m×1m的容器中，開展了泄口面積為0.5m2，不同點火位置、氫氣濃度（10.5%～28.7%）等工況下氫氣/空氣爆炸實驗研究。結果表明，容器內部產生最大超壓明顯受點火位置、氫氣濃度等參數的影響。Bauwens等人[7-10]開展了大尺度艙室（4.6m×4.6m×3m）中氫氣/空氣的泄爆實驗，針對不同的點火位置、不同泄口面積、低氫氣濃度等參數下對爆炸超壓進行了研究。Bauwens等人發現泄口面積對容器內部產生的峰值超壓也有影響。Kumar等人[11]在超大型容器（V=120m3）中開展了泄口面積、氫氣濃度、點火位置對爆炸壓力的實驗，發現對于給定的泄口面積，泄爆產生的最大峰值壓力隨氫氣濃度的增加而增加，同時對于給定的氫氣濃度，泄口面積越小，泄爆壓力峰值越大。Rocourt等人[12]在體積為3357cm3的正方形小艙中進行了5種泄口面積的工況下的泄爆實驗，發現泄爆壓力隨著泄口面積的減小而增大。

對于受限空間的氫氣/空氣泄爆理論計算也受到前人的研究。Molkov理論模型[13]是基于DOI數而建立的，而DOI數對于湍流布拉德利數計算具有重要的影響。該模型主要針對氫氣濃度在30%以下的爆炸超壓計算，其計算形式分為擬合計算公式和保守計算公式，該理論模型考慮了容器大小、障礙物、氣體性質以及燃燒過程中氣體變化特性等影響因素對于氫氣/空氣泄爆超壓的影響。其中容器形狀大小考慮了體積和泄口面積對于超壓的影響。在有障礙物的情況下，該模型賦予了障礙物影響因子為3.5用于超壓的計算，而沒有障礙物時，障礙物因子取1。對于氣體特性以及混合氣體燃燒特性，考慮到氣體膨脹系數、氣體比熱比以及各種褶皺火焰影響因子對于超壓計算的影響。NFPA 68理論模型[14]主要是針對前人的實驗結果而提出兩種壓力形式的計算模型，一種是針對靜態低壓，另一種針對靜態高壓。該模型明確了初始湍流、障礙物、容器形狀大小、泄口面積、氣體的燃燒過程變化的特性對泄爆超壓的影響，但是沒有分析點火位置對可燃氣體爆炸超壓的影響。在一般情況下，該理論模型計算的爆炸壓力值要高于實驗結果。Bauwens理論模型[7，15]是基于氫氣/空氣的混合氣體在帶有泄口的容器中泄爆產生的三個壓力峰值進行理論計算。首先，Bauwens等人對每個壓力峰值的形成機理進行探究：第一個壓力峰值的形成是由于容器內部氣體燃燒；第二個壓力峰值的形成是由于障礙物的影響；第三個壓力峰值的形成是由于容器內部氣體通過泄口到達容器外部形成爆炸。容器內部爆炸產生的最大超壓可以通過三個超壓峰值比較而獲得。該模型充分考慮了點火位置、障礙物、外部爆炸、容器的形狀、泄口面積、氣體燃燒特性以及火焰面積等因素對于泄爆超壓計算的影響。就理論模型而言，很少有人關注泄爆理論模型對于泄爆超壓預測的普適性。研究泄爆超壓理論計算模型對氫容器、建筑以及管道等設施的安全預測具有重要的指導意義。

2 結果研究和討論

為了探究NFPA、Bauwens、Molkov三種模型對于計算爆炸超壓的普適性，本文從容器尺度出發，分別選擇了郭進等人、Daubech等人和Bauwens等人的實驗工況和超壓值，如表1～3。然后，通過三種理論模型分別計算得到的最大壓力與上述實驗產生最大壓力相比較，分別從定量上和定性上來確定哪種模型最適用。

郭進等人 表1

Daubech等人[6]實驗工況和超壓 表2

圖1給出了NFPA、Molkov、Bauwens三種模型計算出的結果與郭進等人的實驗結果進行比較。從圖1中可以看出，Molkov模型計算值明顯低于實驗值，并隨著氫氣濃度的增大，計算值與實驗值的差距增大；NFPA和Bauwens模型計算結果非常接近于實驗結果。此外，圖1中還表明Bauwens模型計算結果更優于NFPA模型和Molkov模型的計算結果。因此，針對郭進等人的實驗，Bauwens模型更適合于小型容器的爆炸超壓計算。

圖2給出了NFPA、Bauwens和Molkov三種模型計算值與Bauwens等人的實驗值的比較。圖2的結果表明；三種模型的計算結果都大于實驗結果，且均偏離實驗結果。通過圖2中的對比可以發現；Bauwens和Molkov模型計算值更吻合實驗值，且Bauwens模型計算值偏差最小。由此可見，針對Bauwens等人的實驗艙，Bauwens模型優于其它兩種模型。

Bauwens等人 表3

圖1 三種模型計算值與郭進等人的實驗結果對比

圖2 三種模型計算值與Bauwens等人實驗結果對比

圖3 三種模型計算值與Daubech等人實驗結果對比

圖4 模型計算壓力值與實驗超壓值對比

圖3給出了三種模型計算值與Daubech等人的實驗值比較。圖3的結果顯示，在氫氣濃度為20%以內，Molkov模型計算值與實驗值幾乎相同，但是隨著氫氣濃度繼續增加，其計算值偏離并小于實驗結果。此外還發現，NFPA和Bauwens模型計算值隨著氫氣濃度的增加而增加，并且計算結果都大于實驗值。整體來看，在中型容器中，Bauwens模型也優于Molkov和NFPA模型。

圖4（a）～（d）給出了三種模型對所有工況的計算值與實驗值之間對比。發現Bauwens模型計算值在45°線的上方區域并靠近45°線，即計算值略大于實驗值。Molkov模型計算值占了整個區域，即計算值可能大于，也可能小于實驗值，且偏差較大。NFPA模型計算值幾乎都不小于實驗值。圖4（d）對比發現，相對于Bauwens模型計算值，NFPA模型計算值偏離實驗值較大。

總的來說，對于受限空間中氫氣/空氣混合氣體泄爆超壓預測，Bauwens模型比Molkov和NFPA模型預測更準確。

3 結論

通過NFPA、Molkov和Bauwens三種理論預測模型計算的結果與實驗結果比較，發現NFPA模型和Molkov模型的預測偏差最大，Bauwens模型更適合預測氫氣-空氣混合氣體泄爆超壓。因此，針對不同尺度的氫容器泄爆理論計算，建議采用Bauwens模型。