燃料電池城市客車氫氣泄漏擴散研究

胡中強，鄧亞東，李景利，冉 淵

(1.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070； 2.中通汽車工業集團有限責任公司，山東 聊城 252000)

燃料電池汽車憑借其零排放、加氫時間短、續駛里程長等優點逐漸成為企業與科研機構的研發熱點[1]。城市客車由于布置空間充足、配套設施易于建設，以及可觀的燃料電池汽車補貼，使得國內各大客車廠家都加大了對燃料電池客車的研發力度[2]。但是，氫氣的擴散系數大，爆燃的體積范圍廣，而現在的儲氫技術很難完全避免氫氣的泄漏擴散，因此氫氣的存儲與應用仍存在一定的危險性[3-4]。

由于氫氣泄漏試驗危險性高，現在主要利用物理性質相近的惰性氣體代替氫氣進行試驗，或者直接采用數值模擬計算方法對氫氣的泄漏擴散進行研究[5-6]。但以往的研究主要涉及開放環境或大型室內空間，對于客車氫氣瓶艙這種狹小半開放區域內的氫氣泄漏擴散情況研究甚少。因此，筆者采用數值模擬對燃料電池城市客車氫氣瓶艙內氫氣泄漏擴散的規律進行了分析，相關結論可以為燃料電池客車氫安全設計以及氫安全監測提供一定的參考。

1 數值模擬

1.1 物理模型

考慮客車的布置空間與外觀造型等問題，目前大部分燃料電池客車均把氫氣瓶艙布置在車輛頂部[7]，如圖1所示。該燃料電池客車，其頂部氫氣瓶艙布置于空調前方，提取出來的氫氣瓶艙的三維模型如圖2所示。模型坐標系與車輛坐標系保持一致：X軸平行于地面指向車輛前方，Z軸豎直向上，Y軸指向駕駛員的左側。設距離進風口最近的氫氣瓶軸線與氫氣瓶艙Y方向對稱面的交點作為坐標原點。

圖1 燃料電池客車外形圖

圖2 氫氣瓶艙簡化模型

氫氣瓶艙主體尺寸為1 910 mm×2 350 mm×280 mm，內置4個直徑為370 mm，長1 800 mm的標準140 L氫氣瓶。氫氣瓶艙前后共開設4個380 mm×180 mm的進出風口，假設距進風口最近的氫氣瓶瓶口處發生泄漏，泄漏孔直徑為8 mm。

1.2 網格劃分

為了提高網格劃分的效率，采用四面體網格對計算域進行劃分。由于氫氣泄漏口直徑較小，泄漏口附近氫氣處于高速射流狀態，因此需要對泄漏口處網格進行一定的加密處理，以此來提高網格質量和計算精度。網格總體尺寸為20 mm，對泄漏口處的網格進行加密，加密尺寸分別為2 mm、0.4 mm，最終網格劃分情況如圖3所示，網格數量約400萬。

圖3 氫氣瓶艙網格劃分示意圖

1.3 計算系數設置

對車輛在靜止與正常行駛兩種工況下的氫氣泄漏擴散情況進行計算，計算域邊界如圖2所示。

選用FLUENT軟件的組分傳輸模塊及realizablek-ε湍流模型對客車頂部氫氣瓶艙內氫氣的擴散進行計算[8]并做如下假設：

(1)泄漏口直徑保持不變，氫氣以恒定速率釋放，且假設為理想氣體；

(2)氫氣泄漏過程中不與外界發生化學反應；

(3)氫氣瓶艙的壁面等溫絕熱且光滑。

車輛靜止時，計算域中氫氣瓶泄漏口邊界設定為質量入口，泄漏速度取2 g/s[9]，氫氣組分濃度設置為1，即認為泄漏口為純氫氣泄漏；氫氣瓶艙的進出風口均設置為壓力出口，出口壓力為1個大氣壓，氫氣組分濃度設置為0，即認為初始條件下氫氣瓶艙內無微量泄漏的氫氣；其他壁面均設置為無滑移壁面；壓力、溫度、空氣密度和空氣粘度均采用溫度為25 ℃時的參數。計算中考慮重力的影響，重力加速度為9.8 m/s2。

車輛正常行駛時，根據如圖4所示的中國典型城市公交循環工況[10]，取該工況的平均車速15.9 km/h作為勻速工況的速度條件，計算域中氫氣瓶艙的進風口設置為速度入口(v=15.9 km/h)，其余邊界條件與靜止工況一致。邊界條件的具體設置如表1所示。

圖4 中國典型城市公交循環工況

表1 邊界條件設置

計算域邊界邊界類型邊界參數泄漏口質量入口2 g/s進風口靜止:壓力出口勻速工況:速度入口靜止:大氣壓力勻速工況:15.9 km/h出風口壓力出口大氣壓力氫氣瓶艙外壁無滑移壁面/氫氣瓶瓶身無滑移壁面/

2 仿真結果分析

為了對空間內氫氣泄漏擴散后的分布情況進行更有效直觀的分析，X方向選取4個過氫氣瓶軸線的面以及最外側兩個等面積截面；Y方向選取整個模型的對稱面、通風口的對稱面以及最外側兩個等面積截面；Z方向選取過4個氫氣瓶軸線的面作為特征面，即選取x=200、x=0、x=-430、x=-860、x=-1290、x=-1490；y=-1 000、y=-500、y=0、y=500、y=1 000；z=0(單位mm)這幾個面作為特征面進行分析。

2.1 靜止工況

由于氫氣的爆炸范圍為4%～75%(體積分數)，因此在氫氣體積分數云圖中只顯示4%～75%的部分，可以更直觀地表示出氫氣瓶艙內的危險區域分布。

圖5 靜止工況下氫氣濃度分布云圖

圖5為靜止工況下氫氣瓶艙內各特征面上氫氣濃度(4%～75%)的分布圖。由圖5可以看出，整個氫氣瓶艙內大部分區域的氫氣濃度都處于爆炸范圍之內。氫氣泄漏后泄漏口處形成錐形的高濃度區域(圖5(c)中注明區域)，局部氫氣濃度已經超過75%的氫氣爆炸范圍。

由于氫氣具有良好的擴散性，因此氫氣在離開泄漏口一段距離后，濃度迅速下降，在接觸氫氣瓶艙壁面后迅速向四周擴散，在整個氫氣瓶艙內形成較為均勻的分布情況。

隨著泄漏擴散的進行，由于氫氣密度小于空氣密度，氫氣有明顯的向上擴散趨勢，因此整個氫氣瓶艙上部區域的氫氣濃度要略大于下部區域，形成分層現象。

氫氣泄漏最終達到穩態后，氫氣在泄漏口處的頂角附近發生明顯的聚集，形成高濃度區域，濃度達到50%以上。同時氫氣瓶艙內的大部分區域氫氣濃度在30%～50%之間。而氫氣瓶艙前后進出風口處的氫氣濃度較低，約在0%～10%范圍內，小部分區域低于4%的爆炸極限。

在車輛長時間靜止不動時，若氫氣瓶艙內發生氫氣泄漏，氫氣瓶艙易發生爆炸燃燒，需要做好氫氣濃度的實時監測與遠程報警工作。

2.2 勻速工況

當車輛以15.9 km/h行駛時，設氫氣瓶艙前的進風口以15.9 km/h沿X負方向進風，可以得到此時氫氣泄漏的擴散情況。

圖6為勻速工況下氫氣瓶艙內各特征面上氫氣濃度(4%～75%)的分布圖。由圖6可知，由于進風口的氣流加強了氫氣瓶艙內氫氣的擴散，氫氣在泄漏擴散達到穩態后，只有泄漏口附近氫氣濃度仍保持在50%以上，其他部分的氫氣濃度均有大幅度降低。其中氫氣瓶艙內靠近泄漏口一側的氫氣濃度大約保持在30%以下，而氫氣瓶艙內遠離泄漏口約3/4的區域氫氣濃度已經下降到4%以下，低于氫氣的爆炸濃度，沒有被點燃的危險。

圖6 行駛工況下氫氣濃度分布云圖

由圖5和圖6可知，無論車輛處于靜止還是勻速行駛狀態，氫氣瓶艙內氫氣濃度最高的區域均為圖7所示監測線附近的區域，因此，可在該位置設置氫安全監測點。靜止與勻速工況下，監測線上的氫氣濃度分布如圖8所示。

圖7 氫氣濃度監測點示意圖

圖8 不同工況監測線氫氣濃度分布

對比發現，通風情況下監測線上的氫氣濃度較靜止時平均下降約20%，且隨著與泄漏口距離的增大，氫氣濃度的下降更為明顯。由上述分析可知，當車輛處于行駛狀態時，由氫氣瓶艙進氣口進入的空氣對氫氣瓶艙內泄漏氫氣的擴散可以起到很大的促進作用，使氫氣瓶艙內大部分區域的氫氣濃度下降到爆炸水平之下，大大降低了氫氣泄漏后產生爆燃的可能性。但是氫氣泄漏口一側仍有一定區域的氫氣濃度在可燃范圍之內。

3 勻速工況下進氣角度對氫氣擴散的影響

根據進風口進入氫氣瓶艙的空氣跡線圖(圖9)可知，當進風口沿X負方向進風時，新進入的空氣只有很少部分可到達氫氣瓶艙兩側的區域，很難對泄漏源處的擴散情況產生直接影響，而這部分區域正是氫氣最容易發生聚集的區域，因此氫氣瓶艙的進風口存在一定的改進空間。

圖9 進風口空氣流動跡線圖

為改進氫氣瓶艙的通風效果，在氫氣瓶艙進風口處設置不同進氣角度(0°～60°，進氣格柵角度過大會影響進氣效率)的進氣格柵，如圖10所示，對進入氫氣瓶艙的氣流進行導流。經過數值模擬，得到進氣格柵進氣角度α為15°、30°、45°、60°時氫氣泄漏后氫氣瓶艙內的氫氣濃度分布情況。

圖10 氫氣瓶艙進氣格柵示意圖

在圖7相同位置設置若干監測點，對不同進氣角度下監測線上的氫氣濃度進行監測，得到不同進氣角度下監測線上氫氣濃度分布情況如圖11所示。

圖11 不同進氣角度監測線氫氣濃度分布

從圖11可知，監測線上的氫氣濃度隨著與泄漏口距離的增大而呈現出減小的趨勢。加裝進氣格柵后，各個進氣角度下，監測線上的氫氣濃度均低于30%。其中，采用30°進氣格柵時，監測線上的氫氣濃度最高約為15%，且當與泄漏口的距離超過0.7 m后，氫氣濃度下降至接近于4%的氫氣爆炸極限，氫氣擴散情況最好。綜上考慮，當進氣格柵角度為30°時，氫氣瓶艙內氫氣的可燃區域體積處于理論最低狀態，發生爆燃的概率最低。

在氫氣瓶艙4個頂角以及分析中設置的監測線處布置若干氫氣濃度傳感器，可以對氫氣瓶艙內的氫氣濃度形成有效的監控。同時，在通風口采用30°進氣格柵，可以有效提高氫氣擴散效率，提高該燃料電池客車的氫安全性。

4 結論

氫氣瓶艙頂部邊角處是氫氣擴散后易形成高濃度聚集的區域，可以適當在易發生氫氣泄漏的瓶口兩側頂部邊角處布置氫氣監測傳感器，對氫氣瓶艙內的氫氣濃度進行預警。

當車輛正常行駛時，氫氣瓶艙的通風系統會大幅度促進氫氣泄漏后的擴散情況，使氫氣瓶艙內大部分區域的氫氣濃度都低于爆炸極限。同時，選擇合適的通風口進氣角度，可以進一步提高氫氣的擴散效率，提高燃料電池客車的行車安全。