液氢泄漏事故中氢气可燃云团的扩散规律研究.doc
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1、液氢泄漏事故中氢气可燃云团的扩散规律研究摘要:针对液氢生产、储存、运输过程中发生瞬时大流量泄漏的问题,对美国国家航空航天局进行的液氢泄放实验进行了数值模拟。采用非均相的混合模型,考虑气液相间速度滑移,对氢气、空气云团内部浓度、温度、密度等物理量的动态变化规律,以及可燃云团在竖直方向的扩散范围进行研究,揭示了可燃云团在开放空间的动态扩散行为,其扩散行为分为重气扩散、浮升扩散和被动扩散3个阶段。浮升扩散阶段为可燃云团扩散的最主要阶段,发生在停止泄放后大约8s的很短时间内,氢气浓度急剧下降,云团快速脱离地表并升高至约30m,在被动扩散阶段可燃云团扩散最慢,却占据大部分时间,即大约60s的时间,此阶段
2、可燃云团维持在约40m的高空并且随风飘移。在风速较低的工况下,温差导致的低温氢气与空气的局部湍流相混合,是可燃云团扩散的主要动力。液氢将逐步作为主流推进剂,广泛应用于发射空间站、载人登月、登陆火星和深空探测领域1。虽然液氢与其他推进剂相比具有显著优势,但其易扩散、可燃范围宽(4%75%)、点火能量小(0.019mJ)的特点,使得其在贮存、运输、加注过程中存在严重的安全隐患,历史上曾发生过多次由液氢泄漏引起的安全事故2-3。因此,开展液氢泄漏扩散规律的研究,对于预防和避免火灾、爆炸事故发生,指导事故应急处置,降低人身和财产损失,有着重要的现实意义。国内外研究机构开展了6组液氢泄漏扩散的实验研究4
3、-9,其中美国国家航空航天局(NASA)进行的大流量瞬时泄放实验,英国健康与安全实验室(HSL)进行的小流量连续泄放实验,具有较强的代表性。NASA于1980年在白沙试验基地(WSTF)进行的液氢泄放实验,获得了液氢池的大小和测点的氢气浓度等数据,以及可见云团的动态扩散过程5,10,但是该实验并未获得远场(监测塔之外)的氢气浓度场。2011年,HSL在山谷中进行了14次液氢泄放实验,来模拟液氢储罐在转注过程中连接软管的泄漏事故8。与其他实验不同的是,部分实验中发现了液氢池附近空气组分(氧气和氮气)的凝华现象,在4次点燃实验中也得到了火焰速度、热辐射通量等数据,但该实验同样仅获得了近场的氢气浓度
4、场。此外,国内唯一有液氢实验资质的北京航天试验技术研究所也在2016年进行了小规模的液氢泄放实验9。考虑到液氢泄放实验的安全和经济因素,国内外一些学者采用CFD来模拟上述实验,并得到了一些有益的结论。文献7,11分别采用ADREA-HF、FLACS程序验证了数值模拟研究的可行性;文献12-13研究了环境湿度和大气稳定度对氢气扩散的影响;文献14-15研究了风温、风速、地温及空气中氮氧液化对氢气扩散的影响;文献16研究了典型季节温度、风速、大气压力对可燃云团扩散的影响规律。综上所述,国内外学者虽然开展了一些液氢泄漏扩散方面的研究,但很少关注可燃云团整个扩散进程中的行为特性。本文以NASA的大规模
5、液氢泄放实验为物理模型,在文献16数值模拟研究的基础上,对处于可燃浓度下限的可燃云团的宏观扩散行为特性进行了研究,以期为事故的安全评估提供理论指导。1物理现象液氢泄漏到大气环境后所发生的物理现象,可分为以下4个阶段17-18,液氢泄漏后的物理现象如图1所示。(1)由于环境温度远高于液氢的饱和温度,当泄漏速度小于瞬时气化速度时,液氢将在泄漏口附近快速气化;若泄漏速度大于瞬时气化速度,少量的液氢在泄漏口附近气化,剩余的液氢在固体、液体壁面累积并逐步扩展为液池,直至气化速度等于液化速度时,液池停止扩展,达到最大面积。(2)液池在扩展的过程中不断吸收固体、液体壁面以及大气环境中的热量(主要为壁面导热1
6、9)而蒸发。在壁面处由于极大温差(约280K)的存在,导致液体沸腾,而在液池和空气的交界面处,液池与环境的对流和辐射换热,使得液氢进一步气化,于是液池面积开始逐渐缩小,分裂为若干小液池,直至消失。在此过程中,快速的气化存在发生急剧相变爆炸RPT的可能。(3)气化后的低温氢气与周围空气之间存在着较大的温差,使得二者快速混合,并在大气湍流的作用下加速混合、扩散,直至扩散至安全浓度(4%)。(4)上述液氢泄漏、气化和低温氢气扩散的过程中,可燃云团遇到合适的点火源,将发生燃烧、爆炸甚至爆轰事故。2物理模型2.1实验描述5,10NASA共进行了7次液氢泄放实验,其中第6次获得了较为全面的数据。5.7m3
7、液氢自杜瓦经绝热管道(长为30m,内径为15.2cm)从泄放口泄放到开放空间,泄放时间为38s。泄放口位于一个直径为9.14m的圆形池子(地表为压实的沙子)中心。环境温度为15,相对湿度为29%,风速为(1.750.55)m/s,大气压力为78630Pa。在下风向布置了9个19.5m高的监测塔,每个监测塔上设有热电偶、氢气传感器、气体取样瓶和湍流指示器,监测塔到泄放口距离为R,如图2所示。此外,在泄放口外围1、2、3m处设置热电偶,用以探测液氢池的动态变化,可见云团的动态扩散过程会被摄像机记录下来。虽然低温氢气并不可见,但当其温度低于环境空气中水蒸气的饱和温度时,造成水蒸气的冷凝并反射光线,使
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