車載儲(chǔ)氫瓶泄漏及車庫內(nèi)通風(fēng)方式研究*

何 靜，劉宏波，魏 列，岑 康

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500；2.四川省燃?xì)獍踩c高效利用工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610016)

0 引言

“十四五”規(guī)劃提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)以來，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。氫能源作為傳統(tǒng)化石燃料的替代品，具有環(huán)保、可再生、加注速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛應(yīng)用。截止2021年11月，我國已有8 461輛燃料電池汽車，根據(jù)國家中長(zhǎng)期規(guī)劃，2025年燃料電池汽車保有量將達(dá)5萬輛[1]。然而由于氫氣的爆炸范圍廣，若將氫燃料電池汽車停放在相對(duì)封閉的車庫中，氫泄漏擴(kuò)散后遇到火源就會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸[2]，故須進(jìn)一步研究氫能使用的安全性，解決氫能安全問題。

針對(duì)小型受限空間中氫氣的泄漏擴(kuò)散研究廣泛，孫智浩[2]利用CFD探究是否存在障礙物等情況下，空間內(nèi)氫氣濃度分布和壓力峰值的變化。Hajji等[3-4]利用數(shù)值模擬研究棱形車庫頂角角度和自然通風(fēng)對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散后濃度梯度和分層的影響。盧明等[5]對(duì)室內(nèi)儲(chǔ)氫罐的泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬得到氫氣泄漏擴(kuò)散的速度分布、濃度分布情況。劉廷雷等[6]建立燃料車內(nèi)氫氣泄漏擴(kuò)散的數(shù)值分析模型，得到氫氣在車內(nèi)泄漏擴(kuò)散后的危險(xiǎn)區(qū)域分布情況。

大型受限空間發(fā)生氫泄漏后，氫氣擴(kuò)散范圍廣，若沒有良好的通風(fēng)，遇到明火也會(huì)有爆炸和燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。Chen等[7]和Huang等[8]根據(jù)相似原理搭建縮尺實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬研究大型密閉空間內(nèi)氫氣的擴(kuò)散特性和不同通風(fēng)布局對(duì)氫氣擴(kuò)散分布的影響。Choi等[9]研究泄漏流量和通風(fēng)風(fēng)扇對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響。Li等[10]研究不同橫梁高度對(duì)氫氣泄漏的影響。Bauwens等[11]模擬研究不同泄漏速度下，氫氣在大型倉庫內(nèi)的泄漏擴(kuò)散分布狀態(tài)。

目前針對(duì)燃料電池氫氣泄漏擴(kuò)散過程的研究較多，但鮮有針對(duì)大型受限空間氫氣泄漏后通風(fēng)方式對(duì)其擴(kuò)散分布、可燃性氣體體積影響方面的研究。因此，本文綜合已有研究成果，對(duì)大型車庫燃料電池汽車泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬分析和研究，探究不同通風(fēng)方式下車庫內(nèi)氫氣分布情況，得出最佳通風(fēng)布置方式，以期為氫燃料電池汽車車庫的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

《汽車庫、修車庫、停車場(chǎng)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50067—2014)[12]規(guī)定地下停車庫的防煙分區(qū)面積為2 000 m2，因此以2 000 m2為基本單元建立模型。車庫外形尺寸取46.8 m×46.8 m×4 m[13]。車身長(zhǎng)、寬、高分別為4.694 m、1.85 m、1.443 m，氫氣通過1個(gè)邊長(zhǎng)為0.2 m正方形泄漏口以388 g/min的速度泄漏至車庫內(nèi)，此流速足以給1臺(tái)氫燃料電池汽車提供充足的能量[14]。車庫出口為壓力出口。設(shè)置不同送、排風(fēng)口形式如表1所示，其中工況M2在吊頂設(shè)置16個(gè)誘導(dǎo)器，每臺(tái)誘導(dǎo)器的風(fēng)量為750 m3/h，送風(fēng)方向向下偏45°。送、排風(fēng)口尺寸為0.5 m×0.5 m，送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s，排風(fēng)口的氣體去除速度設(shè)置為1.16 m/s。不同通風(fēng)方式下的車庫模型如圖1所示。

圖1 不同通風(fēng)方式下的車庫模型Fig.1 Garage models under different ventilation modes

表1 不同工況的通風(fēng)方式Table 1 Ventilation modes under different conditions

1.2 計(jì)算條件

本文利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算過程中采用以下假設(shè)：

1)假設(shè)氫氣為理想氣體，以恒定速率釋放，泄漏口的氫氣流速設(shè)置為質(zhì)量流速。

2)泄漏擴(kuò)散過程中忽略相態(tài)變化和化學(xué)反應(yīng)，不考慮燃燒爆炸過程。

3)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和組分輸運(yùn)模型。

為快速生成網(wǎng)格、提高運(yùn)算效率，將計(jì)算區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格，對(duì)泄漏口、通風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，以此來提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的精確度。圖2為M2工況下車庫整體網(wǎng)格和燃料電池汽車局部加密的網(wǎng)格示意圖。全流域最大尺寸設(shè)置為0.5，網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試后選擇420 W網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算模擬。

圖2 車庫M2通風(fēng)方式網(wǎng)格Fig.2 Grid of garage under M2 ventilation mode

1.3 數(shù)學(xué)模型

氫氣的泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬是基于能量、動(dòng)量、質(zhì)量守恒定律和組分輸運(yùn)方程，這些方程可以用1個(gè)通用的形式來表示，如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；τ為時(shí)間，s；φ為通用變量；uj為速度矢量沿x、y、z方向分量,m/s；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證CFD模型的有效性，依據(jù)Chen等[7]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖3為1個(gè)長(zhǎng)60 m、寬36 m、高5.76 m的地下停車場(chǎng)模型，車庫入口寬5.8 m、高3.2 m，車身長(zhǎng)3.6 m、寬1.56 m、高1.4 m。泄漏口為1個(gè)邊長(zhǎng)為0.2 m的正方形。實(shí)驗(yàn)中由于氦氣安全性較高且其物理性質(zhì)接近氫氣，選擇用氦氣代替氫氣，將氦氣以u(píng)0=17.82 m/s的速度從泄漏口向下泄漏，氦氣射流以較高的動(dòng)量撞擊地板，然后橫向擴(kuò)散。垂直方向的浮力驅(qū)動(dòng)氦氣向上移動(dòng)，流動(dòng)至天花板。文獻(xiàn)[7]中案例1，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在泄漏的汽車附近，泄漏時(shí)間為300 s。取案例1中4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：CS5、CS6、CS8、CS9用以驗(yàn)證模型可靠性，位置如圖3所示。

圖3 地下停車場(chǎng)模型Fig.3 Model of underground garage

圖4為氦氣摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線。文獻(xiàn)[7]為1/24縮小模型，用無量綱常量擴(kuò)大結(jié)果范圍，如式(2)所示：

圖4 實(shí)驗(yàn)和模擬中氦氣摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.4 Variation curves of helium mole fraction in experiment and simulation

t*=H2/3A-1F01/3t

(2)

式中：t*是歸一化時(shí)間，s；H是車庫模型高度，取0.24 m；A是地下車庫的面積，為3.75 m3；F0是浮力通量；t是實(shí)際時(shí)間，取300 s。其中，F(xiàn)0計(jì)算如式(3)：

(3)

式中：ρa(bǔ)ir是空氣密度，取1.293 kg/m3；ρHe是氦氣密度，取0.179 kg/m3；g是重力加速度，取9.8 m/s2；Q是噴射流量，取5.59 SLPM。

氣體泄漏后，首先在泄漏口下方監(jiān)測(cè)到氣體，隨后橫向擴(kuò)散后向上移動(dòng)。驗(yàn)證結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，本文建立的CFD模型有效。

2 結(jié)果與討論

2.1 M1擴(kuò)散分布

燃料電池汽車氫氣意外泄漏后，動(dòng)能迅速衰減，氫氣先快速撞擊地面填滿泄漏汽車下方區(qū)域，由于浮力作用，從泄漏車輛底部周圍流出后向車庫頂部運(yùn)動(dòng)，沿著車庫頂部向周圍擴(kuò)散，對(duì)周圍汽車影響較小。泄漏后前20 s內(nèi)M1工況下可燃性下限(摩爾分?jǐn)?shù)≥4%)氣體分布如圖5所示，400 s內(nèi)可燃性氣體體積隨時(shí)間變化如圖6所示，泄漏后可燃性氣體體積先增加，15 s后保持在2.5 m3左右，停車場(chǎng)大部分區(qū)域未達(dá)到可燃性下限。泄漏車輛的底部和周圍被易燃?xì)怏w云覆蓋，因此如果泄漏的氫氣遇到火源被點(diǎn)燃，會(huì)給泄漏車輛甚至整個(gè)車庫帶來重大安全隱患。

圖5 M1工況下可燃下限氣體云圖Fig.5 Cloud map of lower flammable limit gas under M1 condition

2.2 通風(fēng)方式的影響

2.2.1 可燃性氣體體積

由圖6可知，M1可燃性區(qū)域體積在2.5 m3左右，M5、M6在1.5～2 m3之間波動(dòng)，M2、M3、M4在1 m3左右。M2、M3、M4底部有送風(fēng)，明顯降低了可燃性區(qū)域體積。

圖6 不同通風(fēng)方式下可燃性體積的變化Fig.6 Change of combustible volume under different ventilation modes

2.2.2 水平分散特性和垂直分散特性

1)水平擴(kuò)散

在泄漏點(diǎn)正上方的天花板上沿X方向繪制水平直線h1(高3.8 m)，使用沿h1的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布來表示氫在水平方向上的分散特性。

圖7為不同通風(fēng)方式下氫氣的水平分散特性。氫氣泄漏擴(kuò)散后頂部混合氣層分布不均，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨著泄漏點(diǎn)向兩邊的水平距離衰減，與小空間相比，大空間增加了氫氣的擴(kuò)散時(shí)間。

由圖7可知，M1泄漏點(diǎn)上方濃度變化不大，周圍氫濃度逐漸增加，混合氣層逐漸變厚；M2在300 s以后，泄漏口上部氫濃度迅速增加，兩側(cè)濃度緩慢增加，與M1相比整體空間內(nèi)氫氣濃度更低；M3和M4兩側(cè)氫濃度逐步增加，其整個(gè)空間中最大氫摩爾分?jǐn)?shù)比M1、M2??；M5和M6是側(cè)墻頂部送風(fēng)，氫氣泄漏后先向上運(yùn)動(dòng)，車輛兩側(cè)濃度逐漸增加，后由于側(cè)墻頂部送風(fēng)影響，混合氣體被迫向下擴(kuò)散，濃度降低，并且車庫整體空間中濃度明顯降低。

圖7 不同通風(fēng)方式下氫氣水平方向分散特性Fig.7 Dispersion characteristics of hydrogen in horizontal direction under different ventilation modes

2)垂直擴(kuò)散

在距泄漏點(diǎn)6，12 m(X正方向)和6，12，18，24，30 m(X負(fù)方向)的水平距離處沿泄漏的一側(cè)布置7 條垂直直線(a1～a7)。沿著這些垂直線的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)用于表示400 s時(shí)氫氣在垂直方向上的擴(kuò)散特性。

圖8為不同通風(fēng)方式下氫氣的垂直分散特性。M1的氫濃度分布分為3個(gè)不同的層：沒有氫的底層、氫濃度較均勻的頂層，以及中間的過渡層。氫濃度在過渡區(qū)域迅速增加，然后在頂部區(qū)域保持相對(duì)恒定；M2、M3、M4氫濃度較M1低，由于送排風(fēng)影響導(dǎo)致混合氣層在整個(gè)車庫內(nèi)流動(dòng)，車庫內(nèi)底層氫氣濃度比M1有所增加，但都在可燃區(qū)域下限內(nèi)，送排風(fēng)使氫氣在整個(gè)車庫內(nèi)擴(kuò)散開，不會(huì)全部堆積在頂部，過渡層和頂層氫濃度比M1有所減少；M5、M6氫濃度較其他工況均有所降低，由于側(cè)墻頂部送風(fēng)，頂部堆積的氫氣快速向底層擴(kuò)散，整個(gè)車庫內(nèi)氫氣濃度分布更加均勻。

圖8 不同通風(fēng)方式下氫氣垂直分散特性Fig.8 Vertical dispersion characteristics of hydrogen under different ventilation modes

2.3 泄漏位置的影響

圖9和圖10分別為泄漏口在墻角和M1位置處不同時(shí)間氫氣擴(kuò)散云圖。

圖9 泄漏口在墻角氫氣擴(kuò)散云圖Fig.9 Could map of hydrogen diffusion with leakage outlet at wall corner

圖10 泄漏口在M1氫氣擴(kuò)散云圖Fig.10 Could map of hydrogen diffusion with leakage outlet at M1

墻角泄漏時(shí)，200 s前車庫頂部氫氣逐漸向墻壁移動(dòng)，大約在200 s氫氣擴(kuò)散至壁面，隨后沿壁面向下流動(dòng)，混合氣層厚度增加，往車輛方向回流，若泄漏時(shí)間更長(zhǎng)，氫氣會(huì)逐漸向下擴(kuò)散。M1工況位置泄漏時(shí)，80 s右側(cè)氫氣擴(kuò)散至墻壁，250 s左側(cè)氫氣擴(kuò)散至墻壁處，沿壁面向下運(yùn)動(dòng)，混合氣層厚度增加，隨后再往車輛方向回流。

泄漏位置對(duì)水平擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散影響不大。不同泄漏口位置前50 s可燃區(qū)域體積變化如表2所示，由表2可知泄漏口在車庫M1位置泄漏時(shí)，可燃性區(qū)域在前15 s增長(zhǎng)至2.5 m3左右后會(huì)保持在2.5 m3，但泄漏口在墻角時(shí)可燃?xì)怏w云體積很大，在前50 s可燃性區(qū)域體積不斷增加，在50 s時(shí)可燃性區(qū)域體積達(dá)到5.88 m3，故需要加強(qiáng)對(duì)泄漏車輛周圍進(jìn)行局部通風(fēng)。泄漏口在墻角并設(shè)置底部送風(fēng)時(shí)，能保證可燃體積不大幅度增加，可燃性體積保持在2 m3以內(nèi)。

表2 不同泄漏口位置前50 s可燃性區(qū)域體積變化Table 2 Change in volume of flammable area in first 50 s under different leakage outlet locations

3 結(jié)論

1)對(duì)工況M1進(jìn)行分析，得出氫氣泄漏后前20 s可燃性體積不斷增加，可燃性氣體主要分布在泄漏車輛周圍，汽車周圍著火風(fēng)險(xiǎn)高，周圍汽車危險(xiǎn)低。

2)通過對(duì)6種不同通風(fēng)方式進(jìn)行分析，得出在側(cè)墻底部送風(fēng)的工況M2、M3、M4可燃?xì)怏w云體積在1 m3左右，在側(cè)墻頂部送風(fēng)的工況M5、M6可燃?xì)怏w云體積在1.5～2 m3左右波動(dòng)。無任何通風(fēng)口的工況M1可燃?xì)怏w云體積在2.5 m3左右。底部送風(fēng)明顯減小了可燃?xì)怏w云體積。

3)地下車庫為大型密閉空間，氫氣意外泄漏后，空間中氫氣濃度分布不均，側(cè)墻頂部送風(fēng)讓氫氣擴(kuò)散至過渡層和底層，側(cè)墻底部送風(fēng)能減少氫氣在頂部堆積，大部分區(qū)域可燃性氣體體積在可燃性下限內(nèi)。

4)泄漏發(fā)生在角落時(shí)，對(duì)氫氣水平擴(kuò)散沒有明顯影響，但泄漏車輛附近的墻壁會(huì)導(dǎo)致氫氣堆積在角落，在底部設(shè)置送風(fēng)口能讓可燃性區(qū)域體積保持在一定范圍內(nèi)。因此車庫內(nèi)可根據(jù)實(shí)際車輛停放位置布置送、排風(fēng)口位置以降低可燃性區(qū)域體積，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。