液氢泄漏事故中危险氢云的扩散规律特性研究

作     者：王雅文 

作者单位：中国舰船研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：陈延伟

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：液氢泄漏 理论模型 数值模型 规律特性 危险氢云 应急防护 

摘      要：液氢作为清洁能源被广泛应用于化工及航天推进等领域,其危险性体现在易蒸发、易扩散与易燃易爆等方面。液氢储罐一旦发生泄漏将对周围环境和人员构成极大威胁,通过研究液氢泄漏事故中蒸发形成的危险氢云的扩散规律特性,可为液氢储罐空间布置及液氢泄漏后的应急防护措施提供一定的理论依据。主要研究内容和结论如下:(1)基于高斯扩散模型,建立了描述液氢泄漏扩散行为的瞬态模型,分析了连续泄漏扩散与限时泄漏扩散两种情形在数学模型上的区别。编制了能够快速预测液氢泄漏扩散过程中的危险区域范围的数值程序,对照NASA实验数据验证了模型的准确性。对模型中的扩散系数和烟云抬升高度计算方法进行了修正,提高了模型预测精度。(2)基于计算流体力学方法,构建了描述大规模液氢泄漏扩散瞬态过程的三维CFD模型,利用FLUENT商业软件对液氢泄漏扩散过程中的蒸发相变、物质扩散以及流体流动问题进行了模拟计算,对比NASA液氢泄漏实验数据证明了所建立的模型能较好地模拟氢云的扩散过程。(3)深入研究了危险氢云的扩散机理,包括氢云在不同泄漏模式(限时泄漏和连续泄漏)下的空间扩展和稀释规律、氢云扩散过程中的大气湍流扰动机理以及氢云中氢浓度与云团温度的关系。当液氢限时泄漏时,危险氢云的扩散过程可分为初始泄漏、主扩散和消失三个阶段;当液氢连续泄漏时,危险氢云的空间扩展和浓度分布将逐渐达到稳定状态。在氢云扩散过程中,云团位置和风的掺混作用决定了不同区域气云的稀释规律;在泄漏源及其附近区域和氢云背风侧靠近地面区域的湍流扰动较为强烈;地面导热和液氢相变会影响云团氢气浓度与云团温度间的关系。(4)通过对液氢泄漏条件、环境条件、空间约束等方面开展多参量综合分析,得到不同影响因素下的液氢泄漏扩散规律特性。发现减少氢云危险时间可通过减少泄漏量、减少泄漏速率、增加地面导热系数和提高环境温度等方式实现;减少氢云危险空间范围可通过减少泄漏量、减少泄漏速率、降低环境温度和设置空间约束等方式实现。采用正交实验法对三种环境影响因素下的液氢泄漏扩散过程进行模拟研究,确定了影响氢云扩散的主要环境因素,拟合得到能够预测危险氢云最远下风向距离的经验公式。根据计算结果提出了两种应急防护思路,一种为改变危险氢云的扩散方向;另外一种为增加氢云与空气的掺混速度,缩短氢云稀释时间。