車庫燃料汽車氫氣泄漏模擬與分析

張 靜，黃玉璽，張 巍，郭萬年，李龍龍

(太原理工大學 安全與應急管理工程學院，太原 030024)

氫能[1]是國際公認的綠色能源，具有效率高、儲量高和無污染的特點。氫能源動力汽車是目前氫能領域最成熟的方向之一，截至2020年[2]，全世界已經建成加氫站527座(包括試驗項目)，在運營504座，其中中國建有101座，居世界第三。然而，氫氣還具有泄漏性、可燃性、爆炸性和氫脆等不利于安全的特性。在開放空間內氫氣在發生泄漏以后會迅速地擴散到環境中，發生燃燒和爆炸的可能性較小；而在封閉空間和半封閉空間內氫氣發生泄漏后容易聚集，當達到爆炸下限時，一旦遇高溫或明火就會發生燃燒和爆炸，導致嚴重安全事故。因此在氫能燃料汽車大規模商業化之前，必須對氫氣安全性進行研究。

國內外學者對于氫氣儲存、泄漏、爆炸等開展了廣泛的研究[3]，由于相關實驗的高額成本和巨大安全風險，學者們大多從數值模擬出發，已經取得了一定的成果。劉延雷等[4]使用FLUENT軟件對燃料汽車內不同位置的氫氣泄漏進行了模擬，分析了其泄漏后的危險區域分布，得到了儲氣瓶泄漏后的高濃度聚集區域，給出了傳感器布設位置的建議。李云浩等[5]使用FLUENT軟件研究了橫梁與自然通風口的相對位置對于氫氣擴散的影響。盧明等[6]對儲氣罐氫氣泄漏的微觀狀態進行了分析，認為其以湍流形式泄漏，氫氣濃度分布受排風和泄漏的共同影響。李峰等[7]對燃料電池船舶的燃料電池艙的氫氣泄漏擴散過程進行了研究，得到電池艙的頂部四角是高危險區，并探究了通風口對于氫氣擴散的影響。鄭津洋等[8]研究障礙物對氫氣擴散的影響，得到障礙物間距和高度與氫氣擴散的關系。李雪芳等[9]利用二維模型對氫氣射流進行研究，分析了黏性阻力對氫氣泄漏的影響，為氫氣射流模型的改進提供理論參考。MATSUURA[10]對半封閉空間中自然通風對氫氣泄漏擴散的影響進行了研究，在此基礎上又探究了強制通風的影響。BAUWENS et al[11]采用數值模擬改變倉庫尺寸和泄漏速率，對氫氣在大型倉庫內泄漏后的濃度分布進行了探究。吳靜云等[12]對不同通風條件下鉛酸蓄電池的氫氣擴散規律進行了研究，得出了相應的氫氣擴散特性和濃度分布規律。李靜媛等[13]使用FLACS軟件對加氫站內高壓儲氣瓶發生泄漏爆炸的情況進行模擬，認為爆炸強度受障礙區域和環境風速影響較大。李靜媛[14]利用FLACS軟件對高壓氫氣泄漏后從擴散至爆炸的全過程進行了模擬，定量分析了可燃氫氣云的爆炸后果。張俊峰[15]對氫燃料電池汽車的低壓儲存裝置在換氣站泄漏爆炸情況進行了模擬，認為泄壓板可降低站內爆炸超壓，增大站外的危害區域范圍。顧蒙等[16]使用FLACS軟件建立了油氫合建站模型，研究環境風速、風向、罩棚形狀對氫氣泄漏事故的影響規律。

綜上所述，學者們大多將受限空間[17]和半受限空間簡化為一個規則立方體，而在實際情況中，車庫內需要同時停放多輛燃料汽車[18]，這種情況下氫氣泄漏規律會更復雜。車輛電氣設備產生的電火花有可能會使泄漏出來的氫氣發生爆炸[19]，如果車庫內存放有大量的燃料電池汽車[20]，一旦發生氫氣爆炸就會對其他車輛造成極大的威脅，從而產生連鎖反應擴大事故范圍。FLACS軟件作為成熟的商業軟件已被許多學者用于氫氣泄漏爆炸的研究中。本文使用FLACS軟件建立了與實際情況更為相符的車庫模型，在車庫內規則排列若干車輛，對此情況下的氫氣泄漏過程、泄漏速度和通風速度對氫氣濃度分布的影響進行了研究。

1 模型建立

1.1 幾何模型與網格劃分

FLACS是唯一在美獲批的用于陸上LNG設施選址過程中進行場景模擬的成熟商業CFD軟件。FLACS建模采用分布式多孔結構，在模擬障礙密集的泄漏場景時，可以保證計算結果的精確性。利用SIMPLE算法結合邊界條件，求解質量、動量、能量和組分守恒方程，確定計算區域內的超壓、燃燒產物等變量。

真實的車庫中，車輛與車庫構成了一個復雜的幾何整體。本文建立一個與實際車庫較為貼近的幾何模型作為研究對象。車庫模型示意圖如圖1所示，車庫空間X軸長18 m，Y軸長16.5 m，Z軸長2.5 m，內部分為兩列，每一列有六輛引擎關閉、保持靜止狀態的車輛，車輛外形與家用轎車一致，每輛車長3.5 m、寬1.5 m、高1.5 m，分別被中間的立柱隔開，立柱長2 m、寬2 m、高2.5 m，車庫有長5 m、高2.42 m的出口。風機及氫氣泄漏點示意圖如圖2所示，泄漏點設置在車輛底部，坐標(15.25 m，15.24 m，0.15 m)點，泄漏類型為噴射，開口方向為向下，若無說明，文中氫氣泄漏點相關設置不變(圖中風機保持關閉)。在環境溫度變化范圍內，氫氣密度的變化較小，泄漏量受溫度的影響較小，假設車輛儲氫容器的溫度和車庫溫度相等，環境溫度為20 ℃，壓力為大氣壓力0.1 MPa，由于車庫內較為封閉，所以車庫內自然風速設置為0.

圖1 車庫模型示意圖

圖2 風機及氫氣泄漏點示意圖

為了精確捕捉高壓氫氣高速噴射時的體積分數變化，在擴散求解模型中對泄漏點附近網格進行局部加密，在邊界區域適當將網格拉伸以減少網格數量，縮短運算時間。如圖3所示，總網格數為314 072個，最小網格尺寸(0.002,0.002,0.004)，最大網格尺寸(0.5,0.5,0.93)，二者比例233.42∶1.為了精確測定不同位置的氫氣濃度，設立多個測點，測點位置如圖3、表1所示。

表1 測點位置表

圖3 網格示意圖

1.2 數值模型

氫氣的泄漏擴散過程實際上就是泄漏出的氫氣與空間內空氣的混合過程。結合現有研究和理論，在建模之前進行如下假設：1) 氫氣、空氣和兩者形成的混合氣體均為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程；2) 氫氣和空氣在流動過程中不發生化學反應；3) 氫氣的泄漏為連續性泄漏，泄漏過程中氫氣的質量流量和速率保持不變。于是它滿足4個基本控制方程：連續性方程；動量方程；能量方程；組分運輸方程。

以往研究表明[21]，Realizablek-ε湍流模型能夠對含有射流和混合流的湍流流動進行準確模擬，本文選擇Realizablek-ε湍流模型。FLACS軟件模擬氣體擴散過程中，邊界條件由環境決定。本文模擬滿足固體表面的氣體流動，音速和亞音速的流入/流出條件，適合使用“Nozzle”邊界條件。

2 氫氣擴散過程分析

如圖4所示，以氫氣泄漏速度為131 L/min為例，對氫氣擴散過程進行分析。由不同時刻的氫氣濃度分布云圖可以看出，氫氣泄漏分為三個階段：

圖4 5、10、25 s時刻氫氣泄漏擴散云圖

第一是碰撞擴散階段(0～5 s)，氫氣射流在空間中首先表現為高速撞擊，在這個階段高速氫氣流在豎直方向撞向地面并在水平方向擴散開來，在較短時間內碰撞后沿著墻壁和鄰近車輛繼續擴散。

第二是上浮階段(5～15 s)，由于在標準狀態下氫氣密度為空氣的1/14，上浮作用貫穿于氫氣泄漏的整個過程，在完成碰撞擴散之后，一部分氫氣可燃氣云在兩車之間和車輛與墻壁的空隙處上浮，另一部分氫氣可燃云在車底形成聚集，附著在車輛底部。

第三為聚頂分層階段(15 s以后)，首先到達車庫頂部的氫氣完成了聚集，而下部的氫氣還在源源不斷地向上補充，對上部氫氣形成撞擊進而混合，泄漏時間越長，積累效應越明顯，最終會形成一個穩定濃度分層狀態，車庫頂部濃度最大，越往下濃度越低。

3 不同泄漏速度氫氣濃度分布對比

3.1 地面氫氣體積分數對比

日本豐田汽車公司曾進行FCEV安全設計與安全性能測試，開展氫氣泄漏著火燃燒動態試驗，設置氫氣泄漏速度131 L/min.本文設置了正常泄漏131 L/min和高速泄漏524 L/min兩種情況進行模擬。由圖4可知，氫氣泄漏過程中，車底部空間的氫氣會優先附著在車底部，即高度為0.15 m近地面處，對此高度的氫氣濃度變化情況進行分析，結果見圖5.

由圖5可以看出，在碰撞擴散過程中，不同泄漏速度下的氫氣擴散形態不同，氫氣爆炸危險性區域也不同，氫氣的爆炸極限是4.0%～75.6%(體積分數)，對應圖中的深紅色區域。泄漏速度為131 L/min時，第5 s時爆炸危險區以“米”字型分布，且范圍較小，第10 s時爆炸危險區仍以“米”字型分布，范圍均勻增大；泄漏速度為524 L/min時，第5 s時爆炸危險區域集中在車輛右側，第10 s時，爆炸危險區在車輛右側成片出現。這和泄漏點與墻壁的相對位置有關，在車輛的右側，墻角與地面形成了一個相對封閉的空間，使得氫氣形成聚集。

圖5 車輛底部氫氣濃度分布圖

由圖6可以看出，當泄漏速度為131 L/min時，地面靠墻壁處的氫氣濃度從第9.2 s時表現出持續上升的趨勢；而當泄漏速度為524 L/min時，從第3 s開始氫氣濃度便開始上升，并在第4～10 s之間呈現波動趨勢。

圖6 地面處氫氣濃度分布曲線

這是因為氫氣泄漏狀態受初始速度和障礙物的共同作用。在泄漏速度大、障礙物集中的情況下，氫氣容易在障礙物處碰撞混合，高速氫氣射流會經歷兩個階段：一是氫氣迅速在地面位置壓縮混合，濃度迅速升高，二是氫氣在動力和浮力作用下逐漸上浮，地面處的氫氣濃度開始波動甚至下降。而當泄漏速度小時，氫氣地面位置壓縮混合效應較小，因此氫氣不會有迅速上升且波動的階段，濃度緩慢上升。

3.2 人體高度氫氣體積分數對比

氫氣對人的危害主要體現在它的易燃性和易爆性上，許多氫氣爆炸事故的發生是靜電引起的，而化纖衣物隨人體動作產生靜電[22-24]，根據經驗可知此類動作的大概高度在1.35 m左右，因此對車庫內人體高度約1.35 m處的氫氣濃度分布情況進行分析。

如圖7所示，當泄漏速度為131 L/min，10 s時人體高度處氫氣最高濃度出現在兩車之間，體積分數0.357 9%～0.378 9%；而當泄漏速度為524 L/min，10 s時人體高度處的氫氣最高濃度出現在車輛與墻壁之間，體積分數3.040 0%～3.245 2%.可以看出10 s時，不同泄漏速度下人體高度位置氫氣最高濃度位置不同。

圖7 10 s人體高度氫氣濃度分布圖

這是因為氫氣水平運移的速度與泄漏速度密切相關。如圖8所示，泄漏速度較小時，由于向下射流能量較小，氫氣以較慢的速度到達車與車之間，并在到達鄰車的底部之前已經通過浮力作用從兩車間隙中進入上浮階段；泄漏速度較大時則相反，氫氣在水平方向持續在車底運移，沒有進入上浮階段，而在墻壁處形成聚集，進入上浮階段。

圖8 5 s車輛間隙氫氣擴散速度矢量圖

可以看出在10 s時，在兩車間隙處的人體高度處，泄漏速度慢的濃度較高，泄漏速度快的反而濃度較低。

在地面和人體高度處，不同氫氣泄漏速度下氫氣濃度分布相差較大，很難形成一個統一的擴散模型，在這種情況下安全人員根本沒有時間可以及時控制泄漏事故，因此該類事故應該以預防為主。

4 不同通風速度氫氣濃度分布對比

車庫中一般都設置有通風設施，并會根據季節、存儲車輛數量等影響因素對風機的風速進行相應的調整。根據《中華人民共和國國家標準：氫氣站設計規范(GB 50177-2005)》，有爆炸危險房間的自然通風換氣次數不低于3次/h，根據換氣次數和模型體積計算得到風機風量36.125 m3/min.車庫在氫氣未發生泄漏的情況下不存在爆炸危險，因此，為探究不同風速下氫氣泄漏的擴散狀態，在車庫頂部(8.5，8，1.75)處設置風機，如圖2所示，忽略風機尺寸，出風口設置為1 m×0.75 m的矩形，風速設置為20 m3/min和40 m3/min兩種較低的風速，風流方向朝向地下車庫出口，針對車庫中氫氣泄漏以后的擴散過程進行模擬。

由圖9可以看出，在碰撞擴散階段，不同通風速度下的氫氣濃度分布區別并不明顯。這是因為車庫只有一側開口，而另一側是封閉狀態，并未在車庫形成貫通風，無法對碰撞擴散階段和上浮階段的氫氣形成動力作用，將其卷入新鮮風流，而此時車頂部空間對氫氣擴散形成的阻力作用基本相同，因此不同通風速度在氫氣碰撞擴散階段和上浮階段所帶來的效應也就基本一致。

圖9 不同風速下碰撞擴散階段氫氣濃度分布

由圖10可以看出，在上浮階段，增大風速時車底部的氫氣濃度分布沒有明顯變化，而車頂部空間的氫氣濃度分布有一定的差別。當通風風速為20 m3/min時，兩車間頂部氫氣體積分數在0.75%以下，而風速為40 m3/min時其對應最大氫氣體積分數在0.75%～1.5%之間。加大風機風速，車頂部空間氫氣濃度上升。

圖10 不同風速下上浮階段氫氣濃度分布

由圖11可以看出，在聚頂分層階段，不同通風速度下兩車之間和車頂部空間的氫氣濃度分布保持一致，但在靠墻壁處和墻壁上隅角的氫氣濃度分布不同。由云圖知，通風速度為20 m3/min時，墻壁上隅角氫氣最高體積分數在6.5%～7.0%之間，車輛與墻壁間(坐標x為16.0～16.5 m，z為1.5～2.5 m)氫氣體積分數范圍是1.0%～3.0%；通風速度為40 m3/min時，墻壁上隅角處最高氫氣體積分數在7.0%～7.5%之間，車輛與墻壁間(坐標同前)氫氣體積分數范圍是2.0%～3.5%.可以看出通風速度較大時氫氣更容易在墻角處形成聚集，且其下部的氫氣聚集程度也較大，這是因為大風速風機加劇了墻壁上隅角處局部渦流效應，從而加劇上隅角氫氣的聚集，而上隅角的氫氣聚集會對下部位置氫氣的向上擴散產生阻礙作用，進而又加劇了墻壁處氫氣的聚集。

圖11 不同風速下聚頂分層階段氫氣濃度分布

增大車庫內風機風速對處于聚頂分層階段的氫氣的分布狀態產生了顯著影響，而對處于碰撞擴散階段的氫氣影響較小。當增大風機風速時，氫氣在墻壁處和墻壁上隅角的位置聚集情況得到加強，因此安全管理人員在調大風機風速的同時應該加強對上述兩個位置處的氫氣濃度的監測，提前做好應對措施。除此之外，車庫還需盡量形成貫通風，有助于氫氣排出，將墻壁處的停車位置規劃到其他區域，以減少氫氣聚集的風險。

5 結論

1) 在無通風車庫中，燃料汽車氫氣泄漏分為碰撞擴散、上浮、聚頂分層三個階段，氫氣高速射流與地面碰撞后完成橫向傳播，并在車輛與墻壁的間隙處上浮，最終完成聚頂分層，此行為與氫氣的密度特性、泄漏方向、障礙物位置相關。

2) 泄漏速度不同時，地面和人體高度處氫氣濃度分布規律不同。泄漏速度越大，地面處的氫氣越容易在墻壁處形成聚集，而兩車之間人體高度處的氫氣濃度越小。

3) 通風速度對處于上浮、聚頂分層兩個階段的氫氣濃度分布影響較大。在上浮階段，車頂部空間的氫氣濃度隨通風速度增大而增大；在聚頂分層階段，通風速度增大時，墻壁上隅角的氫氣聚集效應更為明顯，靠墻壁處的氫氣濃度增大。