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安全与环境学报 2024年第11期24卷 4279-4286页

作者：祝现礼张佳庆过羿滕越刘敏章智慧马鸿盛王昌建国网安徽省电力有限公司电力科学研究院合肥230601 电力火灾与安全防护安徽省重点实验室合肥230022 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州310000 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009 安徽国际氢能安全联合研究中心合肥230009

为更好地抑制高压氢喷射火,研究了K_(2)CO_(3)添加剂细水雾作用下欠膨胀氢气喷射火特性。试验采用实心锥形细水雾喷嘴,考察细水雾在不同K_(2)CO_(3)添加剂质量分数、水平施加位置和施加压力下,对欠膨胀氢气喷射火火焰形态、火焰水平长... 详细信息

为更好地抑制高压氢喷射火,研究了K_(2)CO_(3)添加剂细水雾作用下欠膨胀氢气喷射火特性。试验采用实心锥形细水雾喷嘴,考察细水雾在不同K_(2)CO_(3)添加剂质量分数、水平施加位置和施加压力下,对欠膨胀氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度及辐射的影响。试验采用摄像机、热电偶、辐射热流计分别测量火焰形态、空间指定点温度和辐射强度。结果表明,在含有K_(2)CO_(3)添加剂的细水雾作用下,氢气喷射火焰更明亮。细水雾压力较低(0.5 MPa)且施加位置位于火焰抬升位置时,氢气喷射火出现明显的火焰膨胀现象。通过与纯水细水雾进行对比发现,K_(2)CO_(3)添加剂细水雾对氢气喷射火稳定火焰长度、羽流区温度及热辐射的抑制效果明显,并且抑制效果随着K_(2)CO_(3)添加剂质量分数的增大而增大。

关键词：安全工程 K_(2)CO_(3)添加剂细水雾氢气喷射火温度热辐射

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细水雾与欠膨胀氢气喷射火相互作用的实验研究

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合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年第8期46卷 1115-1121页

作者：章智慧王昌建刘义李冰周鹏刚合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 中国石油大学(华东)化学化工学院山东青岛266580 兖矿国宏化工有限责任公司山东邹城273512

文章对细水雾与欠膨胀氢气喷射火的相互作用进行了一系列实验研究,重点研究在不同的细水雾压力和竖直释放高度下,喷射火的火焰形态、火焰长度、温度场以及辐射场的变化情况。结果表明:在细水雾的作用下,火焰将发生偏折,并且火焰折角随... 详细信息

文章对细水雾与欠膨胀氢气喷射火的相互作用进行了一系列实验研究,重点研究在不同的细水雾压力和竖直释放高度下,喷射火的火焰形态、火焰长度、温度场以及辐射场的变化情况。结果表明:在细水雾的作用下,火焰将发生偏折,并且火焰折角随细水雾压力的增大而增大;细水雾压力较小时,火焰出现膨胀现象,火焰水平长度有所增大;随着细水雾压力的增大,火焰长度逐渐减小;不合适的施加细水雾可能会导致火焰温度场和辐射场增强,进而带来潜在的二次危害危及人们的生命财产安全。

关键词：氢气喷射火细水雾辐射温度火焰长度

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细水雾作用下欠膨胀氢气喷射火特性研究

细水雾作用下欠膨胀氢气喷射火特性研究

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作者：章智慧合肥工业大学

学位级别：硕士

随着经济的飞速发展和人口的快速增长,世界能源消费不断增加所导致的能源短缺和环境污染这两个重大问题日益凸显。氢能作为一种来源广泛、利用高效、清洁环保的能源,被视为21世纪最具有发展潜力的清洁能源。然而,高压氢气在存储和运输... 详细信息

随着经济的飞速发展和人口的快速增长,世界能源消费不断增加所导致的能源短缺和环境污染这两个重大问题日益凸显。氢能作为一种来源广泛、利用高效、清洁环保的能源,被视为21世纪最具有发展潜力的清洁能源。然而,高压氢气在存储和运输过程中极易发生泄漏,如果遇到明火或者发生激波自点火,极易形成高压欠膨胀氢气喷射火,造成严重的火灾危害。因此,如何有效的抑制高压欠膨胀氢气喷射火是当前氢能源安全利用领域一大重点研究课题。作为火灾事故最常用的消防手段,细水雾技术的应用早在上世纪四十年代就已经开始。细水雾凭借着对环境无污染的潜在优势使得其应用范围在不断地拓展,并且它还兼具除烟、除尘、降温、隔绝辐射等重要功能,可以有效的保护人员和设备的安全。因此,本研究将细水雾技术作为抑制氢气喷射火危害的一种重要手段,开展了一系列有关欠膨胀氢气喷射火与细水雾相互作用的实验研究,深入探究细水雾在抑制氢气喷射火危害方面的合理性以及有效性。自行设计和搭建了高压欠膨胀氢气喷射火与细水雾相互作用的实验研究平台,主要包括氢气喷射火系统、细水雾系统、图像采集系统、压力采集系统、温度以及辐射采集系统等。通过改变细水雾的类型、水平施加距离、竖直施加高度、施加压力以及细水雾中含有KCO添加剂的质量分数等,探究细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。研究揭示了扇形细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。通过改变扇形细水雾的展开角度、水平施加位置以及施加压力,探究在细水雾作用下氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度以及辐射的变化规律。实验发现,施加细水雾后,氢气喷射火火焰出现偏折现象,并定义了火焰折角。随着细水雾展开角度的减小、施加压力的增大以及水平施加位置逐渐远离氢气泄漏喷嘴,火焰折角在不断地增大。在高压细水雾的作用下,氢气喷射火的水平长度、羽流区温度以及热辐射强度均明显减小,细水雾对欠膨胀氢气喷射火的热危害起到了明显的抑制作用。实验结果表明,扇形细水雾对欠膨胀氢气喷射火的抑制作用机理主要是由于细水雾的动能冲击作用,使得氢气喷射火的水平长度减小,进而减小了其危害范围。研究揭示了实心锥形细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。实验研究了实心锥形细水雾在不同的竖直施加高度、水平施加位置以及施加压力下,对欠膨胀氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度以及辐射的影响。实验发现,在实心锥形细水雾作用下,氢气喷射火依旧发生偏折现象。在较低的细水雾施加压力下,出现了火焰膨胀现象,使得氢气喷射火的水平长度明显增大。然而随着细水雾压力的增大,这种现象开始消失,火焰水平长度逐渐缩短。通过对比分析扇形和实心锥形细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响,发现施加实心锥形的细水雾对氢气喷射火的抑制效果更为突出,这是由于一方面实心锥形细水雾能够有效的减小氢气喷射火的危害范围,另一方面,细水雾对喷射火火焰的冷却降温以及对火焰热辐射的阻隔削减也同时发挥着重要作用。研究揭示了含KCO添加剂的细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。实验采用实心锥形细水雾喷嘴,考察细水雾在不同质量分数KCO添加剂、水平施加位置和施加压力下,对欠膨胀氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度以及辐射的影响。研究发现,在含有KCO添加剂细水雾的作用下,氢气喷射火焰色极为明亮。细水雾压力较低(0.5 MPa)且施加位置位于火焰抬升位置时,氢气喷射火的膨胀现象最为明显,火焰长度明显增大。通过与纯水细水雾进行对比分析,发现含KCO添加剂的细水雾对氢气喷射火羽流区温度以及热辐射的抑制效果最为突出,并且抑制效果随着KCO添加剂质量分数的增大而增大。含KCO添加剂的细水雾对氢气喷射火的作用机理不仅包括物理作用,例如:动能冲击作用、冷却降温作用、削减热辐射作用等,还包括化学抑制作用机理,即KCO添加剂活化分解产生的灭火活性物质以及受热蒸发后析出的微小颗粒会阻断氢气燃烧链式反应,进而达到抑制燃烧的目的。

关键词：氢气喷射火细水雾 K2CO3添加剂火焰长度温度辐射

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隔离墙作用下高压氢气喷射火行为研究

隔离墙作用下高压氢气喷射火行为研究

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作者：於星合肥工业大学

学位级别：硕士

氢气作为一种零排放的清洁能源已经逐渐受到世界各国的高度重视。相比于传统化石能源,氢能源拥有无污染、热值高等一系列的优点。在整个氢能源经济体系中,加氢站承担着为氢燃料电池汽车提供动力的角色,拥有不可替代的地位。世界各国加... 详细信息

氢气作为一种零排放的清洁能源已经逐渐受到世界各国的高度重视。相比于传统化石能源,氢能源拥有无污染、热值高等一系列的优点。在整个氢能源经济体系中,加氢站承担着为氢燃料电池汽车提供动力的角色,拥有不可替代的地位。世界各国加氢站的数量正在不断增长。目前已经建成的以及在建加氢站大部分采用的氢气储存方式是高压气态储存。当发生泄漏时,如果遇到明火或发生激波自点火,极易形成喷射火焰,造成严重火灾。因此,如何有效阻隔高压氢气喷射火焰是当前氢能源安全利用领域重点研究的一大课题。隔离墙是一种较为常见的火灾预防手段。为深入探究高压氢气喷射火焰在隔离墙作用下的行为特征,本文基于开源CFD软件Open FOAM提供的基础类库,建立涡耗散概念燃烧模型,研究了不同条件下氢气喷射火的火焰形态、温度分布以及辐射热流量等参数。具体研究工作包括:基于开源CFD软件Open FOAM提供C++类库,建立高压氢气喷射火数值模拟平台Exfire Foam。该平台采用基于大涡模拟的涡耗散概念燃烧模型以及fv DOM辐射模型。通过对美国Sandia国家实验室的Schefer等人开展的初始压力为13.5MPa的氢气喷射火撞击隔离墙实验以及法国INERIS研究所的Proust等人开展的初始压力为90MPa的氢气自由喷射火实验进行数值模拟,并比较实验和模拟获得的氢气喷射火的火焰形态、火焰长度、温度分布以及辐射热流量等参数,证明Exfire Foam数值模拟平台可以有效地预测高压氢气喷射火的行为特征。研究揭示了隔离墙作用下不同的储氢压力对氢气喷射火行为的影响规律。采用管束车、站用钢瓶以及氢燃料电池汽车的工作压力进行氢气喷射火数值模拟。隔离墙高度统一设定为3 m。对比分析火焰形态、火焰长度、火焰温度场以及辐射热流量等参数的变化规律。结果表明,隔离墙的存在使高压氢气喷射火的尺度大大减小。而墙后方的高温区域基本被限制在1 m的范围以内。研究揭示了隔离墙的高度对氢气喷射火行为的影响规律。采用70 MPa的储氢压力,8 mm泄漏口,模拟氢气喷射火撞击不同高度隔离墙（0 m、1 m、2 m和3 m）时的行为,发现高度为1 m、2 m和3 m的隔离墙可分别将水平火焰长度减小33.3%、81.0%和81.2%。当墙的高度大于2 m时,火焰无法直接越过隔离墙,此时距离墙后方0.5 m以外区域的温度基本保持为常温,而墙后方热辐射的危害则大于高温,辐射通量超出人员承受极限4.7 k W/m的区域约为6 m。研究揭示了氢气泄漏口与隔离墙的水平距离对氢气喷射火行为的影响规律。在隔离墙高度为3 m的情况下,模拟泄漏口与隔离墙之间的水平距离分别为2 m、4 m、6 m和8 m时的火焰行为。模拟结果表明,当距离小于6 m时,火焰撞击隔离墙后会沿着墙面向两侧扩散折回或直接沿地面折回,折回的火焰会接近泄漏口所在的区域,灼烧储氢设备。

关键词：氢能安全利用氢气喷射火隔离墙加氢站数值模拟

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气体灭火剂抑制氢喷射火实验研究

气体灭火剂抑制氢喷射火实验研究

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作者：吴越合肥工业大学

学位级别：硕士

随着碳达峰、碳中和等目标的提出,氢能作为一种零污染,高效率的新能源,逐渐受到各个国家的重视。然而,氢气爆炸极限范围广、点火能极低,极易引发安全事故。在氢气意外泄漏事故中,若发生激波自点火或遇到明火点燃可能会形成喷射火。氢喷... 详细信息

随着碳达峰、碳中和等目标的提出,氢能作为一种零污染,高效率的新能源,逐渐受到各个国家的重视。然而,氢气爆炸极限范围广、点火能极低,极易引发安全事故。在氢气意外泄漏事故中,若发生激波自点火或遇到明火点燃可能会形成喷射火。氢喷射火长度较长且具有极高的温度,对人员安全造成极大威胁。目前关于抑制氢喷射火主要采用隔离墙和细水雾,但这两种方法均无法使其熄灭。因此,需要寻找到一种快速有效熄灭氢喷射火的方法。本文基于实验手段,研究了氮气与二氧化碳对氢气喷射火的抑制效果,通过分析火焰图像、火焰中心线温度、热辐射与总热流等数据,揭示了气体灭火剂对氢喷射火焰行为、火灾参数的影响机制,具体研究工作包括:揭示了气体灭火剂作用下氢喷射火焰行为变化规律。采用氮气与二氧化碳灭火剂对不同喷嘴直径、滞止压力条件下的氢喷射火作用,通过改变灭火剂喷射高度、灭火剂喷射距离,对比分析了氢自由喷射火阶段与受到灭火剂抑制作用阶段的火焰行为变化。氢喷射火长度与喷嘴直径和氢气滞止压力成正比,火焰长度越大,灭火剂抑制效果越差。灭火剂喷射高度与火焰抑制效果成反比。灭火剂作用于火焰根部时,火焰能够出现熄灭的典型现象;灭火剂作用于火焰中部时,火焰仅发生偏转无法熄灭,火焰长度衰减率降低,氮气与二氧化碳对火焰长度的抑制效果相似。灭火剂喷射距离与灭火剂对火焰的抑制效果成反比。揭示了气体灭火剂作用下氢喷射火灾参数变化规律。研究了自由火焰阶段与灭火剂释放后火焰中心线温度、热辐射与总热流变化。火焰中心线温度在灭火剂作用下迅速降低,下游区域受到高温气体扰动出现短暂的小幅提升后逐渐降低。火焰辐射分数与火焰长度成正比。灭火剂释放后,火焰下游辐射计接收到的热辐射迅速降低,其衰减程度随灭火剂喷射高度和喷射距离的增大而减小。火焰被灭火剂熄灭时热辐射迅速降低至0。然而,火焰下游总热流计接收到的总热流密度与火焰流动方向紧密相关,灭火剂释放后,大量高温气体流向下游方向,沿火焰流动方向的热流计接收到的数值明显增大,而远离流动方向的热流密度则持续下降。二氧化碳对火焰下游热流密度的提升效果大于氮气。获取了气体灭火剂熄灭氢喷射火的机理与火焰熄灭的临界条件。通过对不同喷嘴直径、滞止压力条件下的氢气喷射火进行抑制研究,发现火焰大角度偏转是火焰熄灭的先决条件。灭火剂射流冲击改变了火焰的流动方向,并最终被灭火剂包裹,使氢气无法与空气充分混合以维持燃烧,最终发生熄灭。氢气射流出口速度U、氢气射流流量q并非决定氢气喷射火能否熄灭的唯一因素。本文提出以氢气射流出口速度U与氢气射流口径d形成的组合参数Ud作为氢气喷射火熄灭的关键参数。对于氮气灭火剂,当氢气射流的Ud小于2.14×10 m/s,火焰能够被熄灭;而对于二氧化碳灭火剂,当氢气射流的Ud小于2.34×10m/s时,火焰能够被熄灭。

关键词：氢气喷射火气体灭火剂氢能安全利用氮气二氧化碳

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