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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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