光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測方法及數值仿真研究

苗揚，陳彥京，王凱，齊巍，盧強，張蒙

（1.北京工業大學材料與制造學部，北京100124；2.北京工業大學先進制造北京市重點實驗室，北京100124；3.中國航天科工集團第三研究院，北京100074；4.北京卡達克科技中心有限公司，北京100070）

0 引言

氫能因其環保、高熱值、可存儲、可再生等優點，備受世界各國青睞，是人類戰略能源發展目標之一，但是氫氣具有高可燃性、高燃燒熱、高爆炸能等潛在危險［2］，加之液氫存儲系統具有復雜的結構，一旦發生泄漏，將迅速蒸發汽化為氫氣，遇到靜電或者微弱的火星均有可能發生爆燃爆轟，極易引發安全事故［3］。因此，對氫氣泄漏情況進行實時監測具有重要意義。

針對儲氫罐液氫泄漏擴散后快速檢測的規律，國內外學者利用實驗和數值模擬等方法進行了相關研究。2017年，浙江大學吳夢茜［4］建立了大規模液氫泄漏擴散過程的數值模型，并對影響因素進行了對比分析，提出了大規模液氫泄漏擴散的后續補救和防護措施的指導性建議。2019年，趙康等人［5］利用CFD軟件模擬受限空間內的液氫泄漏擴散，通過編譯自定義函數（UDF），描述液氫相變過程中傳熱、傳質及相應計算模型所需的邊界條件，得到了不同條件下液氫泄漏過程中溫度和濃度的分布情況，分析了風速、泄漏速率、地面溫度等對液氫泄漏擴散的影響。謝永春［6］采用質譜分析儀的方法對氦氣、氮氣的泄漏擴散進行了檢測。上述研究都是利用數值仿真，采用化學反應的方式對氫氣泄漏擴散進行檢驗，結果可靠，但是反映泄漏情況的速度較慢。本文提出一種基于光面式高壓氫泄漏檢測的物理方法，能夠達到可視化快速檢測的目的，對于預防氫氣泄漏造成危害，增強液氫存儲系統的本質安全具有重要意義。

1 氫泄漏檢測原理及方法

1.1 檢測原理

光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測方法的裝置，包括激光發射器、透鏡、反射鏡、CCD相機、控制電路和計算機等部分，如圖1所示。當高壓儲氫罐發生氫氣泄漏時，會產生高壓氫氣射流，高壓氫氣從泄漏口處向外射出［7-8］。由于高壓氫氣密度較大，所以折射率遠大于周圍的空氣，故可直接將其作為示蹤粒子［9-10］。利用控制電路發出信號，使激光發射器發出激光，通過柱面透鏡組（長焦柱面透鏡和短焦柱面透鏡共焦安置）及反射鏡后形成光面，照亮儲氫罐表面，安裝在儲氫罐上方特定位置的CCD相機對儲氫罐表面進行拍照，并將采集到的圖像信息經控制電路傳輸至計算機，運用數字圖像處理技術，即可得到發生泄漏時泄漏口位置、大小以及高壓氫氣射流方向等信息。

1.2 激光源的選擇

當發生氫氣泄漏時，高壓氫氣射流形成流場，作為示蹤粒子的高壓氫氣需要被照亮后才能被CCD相機記錄下來。恰好，激光是一種擁有高能量密度的光源，可以非常容易地聚集成品質較好的平行光照明流場并且不會產生色差，是一種品質非常好的光源。

圖1 光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測方法裝置組成

流場照明對檢測結果的影響是顯著的，選擇設備照明光線的強度等性能應與高壓氫氣的光散射特性相匹配，并且應與所選用的CCD相機的感光范圍相適應。除了對檢測結果的影響，安全問題也十分重要。氫氣的點火能為0.0179 mJ，為防止激光照射使高壓氫氣發生燃燒、爆炸，所選擇的激光發射器的光強應遠小于氫氣點火能。

激光發射器輸出的能量與波長有關，其計算公式為

式中：E為能量，J；h為普朗克常數，即6.63×10-34J·s；H為頻率，Hz。

而

式中：C為光速，即3×1017nm/s；λ為波長，nm。根據式（3）計算出使氫氣達到點火能的臨界波長

由計算可知，激光波長為1.1×10-21nm時，會使氫氣達到點火能，波長越長，激光發射器的輸出能量越小。常用的激光發射器如氦氖激光發射器、CO2激光發射器的輸出能量均遠小于與氫氣的點火能（常用的氦氖激光發射器波長約為632.8 nm，CO2激光發射器波長約為10.6μm），證明了實驗方案的安全性。

2 數值仿真實驗分析

2.1 仿真模型

根據高壓氫氣射流的分層流動模型，對儲存壓力為5 MPa的氫氣在直徑1 mm的泄漏口處泄漏形成的高壓氫氣射流進行數值仿真分析［11］。

仿真采用的幾何模型根據李雪芳等人研究的高壓氫氣射流分層流動實驗建立。實驗中采用的噴嘴為標準的圓形出口噴嘴，并且設置高壓氫氣射流方向與重力方向相反，所以仿真采用二維軸對稱幾何模型，如圖2所示。

圖2 高壓氫氣射流幾何模型示意圖

仿真所用軟件為Gambit和Fluent2020R1。首先使用Gambit軟件對仿真模型進行四邊形網格劃分，再使用Fluent2020R1進行網格細化，并開啟動態自適應。仿真采用四方程模型進行，并且采用基于壓力的求解器進行計算，動量和能量方程的對流項采用二階迎風差分格式，混合氣體采用多相流模型計算。設置環境壓力溫度為300 K，壓力為1個標準大氣壓，設置重力方向與射流方向反向，邊界條件如圖2所示，左側入口設置為壓力入口條件，上方和右側邊界設置為壓力邊界。為了防止計算過程中出現仿真錯誤，如產生氫氣射流沿左側邊界向上布滿整個計算區域的非物理現象，故左側采用質量和流量均很小的空氣入口。

2.2 仿真結果對比

2.2.1 高壓氫氣射流激波結構

仿真結果使用MATLAB處理后如圖3所示，能夠明顯看到高壓氫氣的射流核心區（圖3中間紅、黃顏色所在區域）、邊界層區（圖3綠色區域）和馬赫盤以及馬赫盤下游反射波。圖3中藍綠黃紅的顏色表示數值從低到高的馬赫數，在射流核心區靠近馬赫盤處，馬赫數達到最高為5.85，在邊界層區，馬赫數最低，約為1.5。核心區從泄漏口到馬赫盤，馬赫數不斷增大，直到馬赫盤馬赫數達到最大，當高壓氫氣射流經過馬赫盤后，射流的壓力和溫度會逐漸降低到與周圍空氣的壓力、溫度相同，同時馬赫數也驟降。

圖3 5 MPa-1 mm高壓氫氣射流激波結構馬赫數云圖

CCD相機拍攝的圖片經數字圖像處理后的灰度圖像如圖4所示，可以明顯看到高壓氫氣射流與周圍空氣的亮暗有明顯的差別。比較圖3仿真結果與圖4灰度圖像，二者所示高壓氫氣射流的激波結構一致，證明了仿真實驗的可行性。

圖4 氫氣射流灰度圖像

2.2.2 靠近泄漏口的射流核心區域

當激光照射區域為靠近泄漏口的射流核心區時高壓氫氣射流2 mm處激波結構截面圖像如圖5所示。可以明顯看到不同馬赫數的圓環結構，馬赫數先從低逐漸升高，再從高降低。CCD相機拍攝的圖像經數字圖像處理后的灰度圖像如圖6所示，可以明顯看到一層一層灰度值不同的圓環，根據圓環的位置與大小即可判斷泄漏口的位置與大小。

圖5 射流核心區靠近泄漏口

圖6 射流核心區靠近泄漏口灰度圖像

2.2.3 靠近馬赫盤的射流核心區域

當激光照射區域為靠近馬赫盤的射流核心區時，高壓氫氣射流4 mm處激波結構截面，圖像如圖7所示，能夠清晰看到邊界層和射流核心區。從外圈的邊界層到中心的射流核心區，顏色由藍變綠再變黃最后變紅，馬赫數逐漸增大。此時高壓氫氣射流的速度逐漸達到最大，壓力和溫度也達到最大。用CCD相機拍攝的圖像經數字圖像處理后如圖8所示，相比圖6射流核心區靠近泄漏口的灰度圖像，層次略顯模糊，但還是可以看出一層一層的不同灰度的圓環。

圖7 射流核心區靠近馬赫盤

圖8 射流核心區靠近馬赫盤 灰度圖像

2.2.4 馬赫盤以外區域

當激光照射在馬赫盤外時，高壓氫氣射流6 mm處激波結構截面如圖9所示。可以看出此時高壓氫氣的馬赫數明顯小于圖5、圖7，已經接近環境情況。這是由于高壓氫氣射流經過馬赫盤后，壓力與溫度逐漸恢復到環境溫度。雖然不如激光照射在馬赫盤以內的圖像清晰，但依舊可以看出高壓氫氣射流的位置。用CCD相機拍攝的圖像經數字圖像處理后的灰度圖像如圖10所示。相比馬赫盤以內的兩張灰度圖像圖6與圖8，圖10所示的馬赫盤以外灰度圖像非常模糊。這是由于高壓氫氣射流經過馬赫盤后，壓力和溫度逐漸降低到與周圍空氣相同，因此根據該圖像很難判斷出高壓氫氣泄漏口的位置。

圖9 馬赫盤以外

圖10 馬赫盤以外灰度圖像

由以上三組圖像對比可知，激光照射在馬赫盤以內射流核心區時，安裝在上方特定位置的CCD相機能夠清晰拍攝高壓氫氣射流圖像，利用數字圖像處理技術即可判斷氫氣是否泄漏以及泄漏的位置。當激光平行照射在馬赫盤以外的射流核心區外時，CCD相機拍攝的高壓氫氣射流圖像比較模糊，難以判斷高壓氫氣泄漏的情況。

3 壓強及泄漏口直徑仿真實驗

根據上述得到的高壓氫氣射流圖像，應用數字圖像處理技術對圖像進行反推，可判斷高壓儲氫罐泄漏口的大小與泄漏位置。泄漏口位置為各高壓氫氣射流圖像圓環重合中心處。由仿真結果可知，高壓氫氣射流的圖像與高壓氫氣的壓強和泄漏口的大小有關，下面具體研究它們之間的關系。

3.1 壓強組模擬結果

對直徑1 mm的泄漏口分別在3，5，7 MPa三個不同壓強條件進行仿真，使用MATLAB處理后，結果如圖11所示。

圖11 泄漏口直徑為1 mm時，不同壓強條件下高壓氫氣射流激波結構馬赫數云圖

由圖11可以看出，壓強為3，5，7 MPa時，2 mm高處截面仍在高壓氫氣射流核心區，但壓強為5 MPa與7 MPa時，4 mm高處截面在馬赫盤以外，不在核心區，所以用MATLAB分別仿真其在2 mm截面處情況，如圖12所示。

根據圖像，使用MATLAB計算出高壓氫氣射流的馬赫盤以下邊界層直徑，即綠色圓環外圈的直徑，如表1所示。

圖12 泄漏口直徑為1 mm時不同壓強條件下高壓氫氣射流激波結構2 mm截面馬赫數云圖

表1 不同壓強條件下1 mm泄漏口直徑高壓氫氣射流激波結構在2 mm高處邊界層直徑

由表1可知，隨著壓強的增大，1 mm泄漏口直徑高壓氫氣射流激波結構在2 mm高處邊界層的直徑不斷減小，且減小速度不斷增加。

對表1中的數據用二階多項式算法進行擬合，可得1 mm泄漏口直經條件下高壓氫氣射流激波結構在2 mm高邊界層直徑與高壓氫氣壓強的關系如式（4）。

式中：D為核心區直徑，mm；p為高壓氫氣的壓強，MPa。

3.2 泄漏口直徑組模擬結果

對壓強為5 MPa的泄漏口進行3個不同泄漏口直徑條件的仿真，泄漏口直徑條件分別為0.5，1，1.5 mm，經MATLAB處理后結果如圖13所示。

圖13 壓強為5 MPa時不同泄漏口直徑條件下高壓氫氣射流激波結構馬赫數云圖

由圖13可以看出，1 mm高處截面仍在高壓氫氣射流核心區，壓強為3 MPa時，2 mm高處截面在馬赫盤以外，不在核心區。分別用MATLAB仿真其1 mm截面處情況，如圖14所示。利用MATLAB計算高壓氫氣射流的馬赫盤以下邊界層直徑，即綠色圓環外圈的直徑，如表2所示。

圖14 壓強為5 MPa時不同泄漏口直徑條件下高壓氫氣射流激波結構1 mm截面馬赫數云圖

表2 5 MPa氫氣射流激波結構在1 mm高處邊界層泄露口直徑

由表2可知，隨著泄漏口的增大，5 MPa壓強高壓氫氣射流激波結構1 mm高處邊界層直徑不斷增大，且增大速度逐漸減小。

對表2所示數據用二階多項式算法進行擬合，可得5 MPa壓強條件下高壓氫氣射流激波結構在1 mm高邊界層直徑與高壓氫氣泄漏口直徑的關系。式中：D為核心區直徑，mm；p為高壓氫氣的壓強，MPa。

4 結論

提出了光面式高壓氫氣泄漏快速可視化檢測方法，通過控制電路發出信號，使激光發射器發出激光，經柱面透鏡組及反射鏡后形成光面照射儲氫罐表面，利用安裝在儲氫罐上方特定位置的CCD相機拍照采集圖像并傳輸至計算機，運用數字圖像處理技術檢測氫氣泄漏情況。對高壓氫氣泄漏進行數值仿真模擬，結果驗證了高壓氫氣射流的分層流動模型；對壓強和泄漏口直徑條件進行分組仿真，根據仿真結果總結出高壓氫氣泄漏口直徑與特定高度高壓氫氣射流邊界層直徑的關系以及高壓氫氣壓強與特定高度高壓氫氣射流邊界層直徑的關系，為實現高壓氫氣泄漏快速準確檢測提供了技術支撐，對氫能的安全化推廣應用起到了促進作用。