车库燃料汽车氢气泄漏模拟与分析

张 静，黄玉玺，张 巍，郭万年，李龙龙

(太原理工大学 安全与应急管理工程学院，太原 030024)

氢能[1]是国际公认的绿色能源，具有效率高、储量高和无污染的特点。氢能源动力汽车是目前氢能领域最成熟的方向之一，截至2020年[2]，全世界已经建成加氢站527座(包括试验项目)，在运营504座，其中中国建有101座，居世界第三。然而，氢气还具有泄漏性、可燃性、爆炸性和氢脆等不利于安全的特性。在开放空间内氢气在发生泄漏以后会迅速地扩散到环境中，发生燃烧和爆炸的可能性较小；
而在封闭空间和半封闭空间内氢气发生泄漏后容易聚集，当达到爆炸下限时，一旦遇高温或明火就会发生燃烧和爆炸，导致严重安全事故。因此在氢能燃料汽车大规模商业化之前，必须对氢气安全性进行研究。

国内外学者对于氢气储存、泄漏、爆炸等开展了广泛的研究[3]，由于相关实验的高额成本和巨大安全风险，学者们大多从数值模拟出发，已经取得了一定的成果。刘延雷等[4]使用FLUENT软件对燃料汽车内不同位置的氢气泄漏进行了模拟，分析了其泄漏后的危险区域分布，得到了储气瓶泄漏后的高浓度聚集区域，给出了传感器布设位置的建议。李云浩等[5]使用FLUENT软件研究了横梁与自然通风口的相对位置对于氢气扩散的影响。卢明等[6]对储气罐氢气泄漏的微观状态进行了分析，认为其以湍流形式泄漏，氢气浓度分布受排风和泄漏的共同影响。李峰等[7]对燃料电池船舶的燃料电池舱的氢气泄漏扩散过程进行了研究，得到电池舱的顶部四角是高危险区，并探究了通风口对于氢气扩散的影响。郑津洋等[8]研究障碍物对氢气扩散的影响，得到障碍物间距和高度与氢气扩散的关系。李雪芳等[9]利用二维模型对氢气射流进行研究，分析了黏性阻力对氢气泄漏的影响，为氢气射流模型的改进提供理论参考。MATSUURA[10]对半封闭空间中自然通风对氢气泄漏扩散的影响进行了研究，在此基础上又探究了强制通风的影响。BAUWENS et al[11]采用数值模拟改变仓库尺寸和泄漏速率，对氢气在大型仓库内泄漏后的浓度分布进行了探究。吴静云等[12]对不同通风条件下铅酸蓄电池的氢气扩散规律进行了研究，得出了相应的氢气扩散特性和浓度分布规律。李静媛等[13]使用FLACS软件对加氢站内高压储气瓶发生泄漏爆炸的情况进行模拟，认为爆炸强度受障碍区域和环境风速影响较大。李静媛[14]利用FLACS软件对高压氢气泄漏后从扩散至爆炸的全过程进行了模拟，定量分析了可燃氢气云的爆炸后果。张俊峰[15]对氢燃料电池汽车的低压储存装置在换气站泄漏爆炸情况进行了模拟，认为泄压板可降低站内爆炸超压，增大站外的危害区域范围。顾蒙等[16]使用FLACS软件建立了油氢合建站模型，研究环境风速、风向、罩棚形状对氢气泄漏事故的影响规律。

综上所述，学者们大多将受限空间[17]和半受限空间简化为一个规则立方体，而在实际情况中，车库内需要同时停放多辆燃料汽车[18]，这种情况下氢气泄漏规律会更复杂。车辆电气设备产生的电火花有可能会使泄漏出来的氢气发生爆炸[19]，如果车库内存放有大量的燃料电池汽车[20]，一旦发生氢气爆炸就会对其他车辆造成极大的威胁，从而产生连锁反应扩大事故范围。FLACS软件作为成熟的商业软件已被许多学者用于氢气泄漏爆炸的研究中。本文使用FLACS软件建立了与实际情况更为相符的车库模型，在车库内规则排列若干车辆，对此情况下的氢气泄漏过程、泄漏速度和通风速度对氢气浓度分布的影响进行了研究。

1.1 几何模型与网格划分

FLACS是唯一在美获批的用于陆上LNG设施选址过程中进行场景模拟的成熟商业CFD软件。FLACS建模采用分布式多孔结构，在模拟障碍密集的泄漏场景时，可以保证计算结果的精确性。利用SIMPLE算法结合边界条件，求解质量、动量、能量和组分守恒方程，确定计算区域内的超压、燃烧产物等变量。

真实的车库中，车辆与车库构成了一个复杂的几何整体。本文建立一个与实际车库较为贴近的几何模型作为研究对象。车库模型示意图如图1所示，车库空间X轴长18 m，Y轴长16.5 m，Z轴长2.5 m，内部分为两列，每一列有六辆引擎关闭、保持静止状态的车辆，车辆外形与家用轿车一致，每辆车长3.5 m、宽1.5 m、高1.5 m，分别被中间的立柱隔开，立柱长2 m、宽2 m、高2.5 m，车库有长5 m、高2.42 m的出口。风机及氢气泄漏点示意图如图2所示，泄漏点设置在车辆底部，坐标(15.25 m，15.24 m，0.15 m)点，泄漏类型为喷射，开口方向为向下，若无说明，文中氢气泄漏点相关设置不变(图中风机保持关闭)。在环境温度变化范围内，氢气密度的变化较小，泄漏量受温度的影响较小，假设车辆储氢容器的温度和车库温度相等，环境温度为20 ℃，压力为大气压力0.1 MPa，由于车库内较为封闭，所以车库内自然风速设置为0.

图1 车库模型示意图

图2 风机及氢气泄漏点示意图

为了精确捕捉高压氢气高速喷射时的体积分数变化，在扩散求解模型中对泄漏点附近网格进行局部加密，在边界区域适当将网格拉伸以减少网格数量，缩短运算时间。如图3所示，总网格数为314 072个，最小网格尺寸(0.002,0.002,0.004)，最大网格尺寸(0.5,0.5,0.93)，二者比例233.42∶1.为了精确测定不同位置的氢气浓度，设立多个测点，测点位置如图3、表1所示。

表1 测点位置表

图3 网格示意图

1.2 数值模型

氢气的泄漏扩散过程实际上就是泄漏出的氢气与空间内空气的混合过程。结合现有研究和理论，在建模之前进行如下假设：1) 氢气、空气和两者形成的混合气体均为理想气体，满足理想气体状态方程；
2) 氢气和空气在流动过程中不发生化学反应；
3) 氢气的泄漏为连续性泄漏，泄漏过程中氢气的质量流量和速率保持不变。于是它满足4个基本控制方程：连续性方程；
动量方程；
能量方程；
组分运输方程。

以往研究表明[21]，Realizablek-ε湍流模型能够对含有射流和混合流的湍流流动进行准确模拟，本文选择Realizablek-ε湍流模型。FLACS软件模拟气体扩散过程中，边界条件由环境决定。本文模拟满足固体表面的气体流动，音速和亚音速的流入/流出条件，适合使用“Nozzle”边界条件。

如图4所示，以氢气泄漏速度为131 L/min为例，对氢气扩散过程进行分析。由不同时刻的氢气浓度分布云图可以看出，氢气泄漏分为三个阶段：

图4 5、10、25 s时刻氢气泄漏扩散云图

第一是碰撞扩散阶段(0～5 s)，氢气射流在空间中首先表现为高速撞击，在这个阶段高速氢气流在竖直方向撞向地面并在水平方向扩散开来，在较短时间内碰撞后沿着墙壁和邻近车辆继续扩散。

第二是上浮阶段(5～15 s)，由于在标准状态下氢气密度为空气的1/14，上浮作用贯穿于氢气泄漏的整个过程，在完成碰撞扩散之后，一部分氢气可燃气云在两车之间和车辆与墙壁的空隙处上浮，另一部分氢气可燃云在车底形成聚集，附着在车辆底部。

第三为聚顶分层阶段(15 s以后)，首先到达车库顶部的氢气完成了聚集，而下部的氢气还在源源不断地向上补充，对上部氢气形成撞击进而混合，泄漏时间越长，积累效应越明显，最终会形成一个稳定浓度分层状态，车库顶部浓度最大，越往下浓度越低。

3.1 地面氢气体积分数对比

日本丰田汽车公司曾进行FCEV安全设计与安全性能测试，开展氢气泄漏着火燃烧动态试验，设置氢气泄漏速度131 L/min.本文设置了正常泄漏131 L/min和高速泄漏524 L/min两种情况进行模拟。由图4可知，氢气泄漏过程中，车底部空间的氢气会优先附着在车底部，即高度为0.15 m近地面处，对此高度的氢气浓度变化情况进行分析，结果见图5.

由图5可以看出，在碰撞扩散过程中，不同泄漏速度下的氢气扩散形态不同，氢气爆炸危险性区域也不同，氢气的爆炸极限是4.0%～75.6%(体积分数)，对应图中的深红色区域。泄漏速度为131 L/min时，第5 s时爆炸危险区以“米”字型分布，且范围较小，第10 s时爆炸危险区仍以“米”字型分布，范围均匀增大；
泄漏速度为524 L/min时，第5 s时爆炸危险区域集中在车辆右侧，第10 s时，爆炸危险区在车辆右侧成片出现。这和泄漏点与墙壁的相对位置有关，在车辆的右侧，墙角与地面形成了一个相对封闭的空间，使得氢气形成聚集。

图5 车辆底部氢气浓度分布图

由图6可以看出，当泄漏速度为131 L/min时，地面靠墙壁处的氢气浓度从第9.2 s时表现出持续上升的趋势；
而当泄漏速度为524 L/min时，从第3 s开始氢气浓度便开始上升，并在第4～10 s之间呈现波动趋势。

图6 地面处氢气浓度分布曲线

这是因为氢气泄漏状态受初始速度和障碍物的共同作用。在泄漏速度大、障碍物集中的情况下，氢气容易在障碍物处碰撞混合，高速氢气射流会经历两个阶段：一是氢气迅速在地面位置压缩混合，浓度迅速升高，二是氢气在动力和浮力作用下逐渐上浮，地面处的氢气浓度开始波动甚至下降。而当泄漏速度小时，氢气地面位置压缩混合效应较小，因此氢气不会有迅速上升且波动的阶段，浓度缓慢上升。

3.2 人体高度氢气体积分数对比

氢气对人的危害主要体现在它的易燃性和易爆性上，许多氢气爆炸事故的发生是静电引起的，而化纤衣物随人体动作产生静电[22-24]，根据经验可知此类动作的大概高度在1.35 m左右，因此对车库内人体高度约1.35 m处的氢气浓度分布情况进行分析。

如图7所示，当泄漏速度为131 L/min，10 s时人体高度处氢气最高浓度出现在两车之间，体积分数0.357 9%～0.378 9%；
而当泄漏速度为524 L/min，10 s时人体高度处的氢气最高浓度出现在车辆与墙壁之间，体积分数3.040 0%～3.245 2%.可以看出10 s时，不同泄漏速度下人体高度位置氢气最高浓度位置不同。

图7 10 s人体高度氢气浓度分布图

这是因为氢气水平运移的速度与泄漏速度密切相关。如图8所示，泄漏速度较小时，由于向下射流能量较小，氢气以较慢的速度到达车与车之间，并在到达邻车的底部之前已经通过浮力作用从两车间隙中进入上浮阶段；
泄漏速度较大时则相反，氢气在水平方向持续在车底运移，没有进入上浮阶段，而在墙壁处形成聚集，进入上浮阶段。

图8 5 s车辆间隙氢气扩散速度矢量图

可以看出在10 s时，在两车间隙处的人体高度处，泄漏速度慢的浓度较高，泄漏速度快的反而浓度较低。

在地面和人体高度处，不同氢气泄漏速度下氢气浓度分布相差较大，很难形成一个统一的扩散模型，在这种情况下安全人员根本没有时间可以及时控制泄漏事故，因此该类事故应该以预防为主。

车库中一般都设置有通风设施，并会根据季节、存储车辆数量等影响因素对风机的风速进行相应的调整。根据《中华人民共和国国家标准：氢气站设计规范(GB 50177-2005)》，有爆炸危险房间的自然通风换气次数不低于3次/h，根据换气次数和模型体积计算得到风机风量36.125 m3/min.车库在氢气未发生泄漏的情况下不存在爆炸危险，因此，为探究不同风速下氢气泄漏的扩散状态，在车库顶部(8.5，8，1.75)处设置风机，如图2所示，忽略风机尺寸，出风口设置为1 m×0.75 m的矩形，风速设置为20 m3/min和40 m3/min两种较低的风速，风流方向朝向地下车库出口，针对车库中氢气泄漏以后的扩散过程进行模拟。

由图9可以看出，在碰撞扩散阶段，不同通风速度下的氢气浓度分布区别并不明显。这是因为车库只有一侧开口，而另一侧是封闭状态，并未在车库形成贯通风，无法对碰撞扩散阶段和上浮阶段的氢气形成动力作用，将其卷入新鲜风流，而此时车顶部空间对氢气扩散形成的阻力作用基本相同，因此不同通风速度在氢气碰撞扩散阶段和上浮阶段所带来的效应也就基本一致。

图9 不同风速下碰撞扩散阶段氢气浓度分布

由图10可以看出，在上浮阶段，增大风速时车底部的氢气浓度分布没有明显变化，而车顶部空间的氢气浓度分布有一定的差别。当通风风速为20 m3/min时，两车间顶部氢气体积分数在0.75%以下，而风速为40 m3/min时其对应最大氢气体积分数在0.75%～1.5%之间。加大风机风速，车顶部空间氢气浓度上升。

图10 不同风速下上浮阶段氢气浓度分布

由图11可以看出，在聚顶分层阶段，不同通风速度下两车之间和车顶部空间的氢气浓度分布保持一致，但在靠墙壁处和墙壁上隅角的氢气浓度分布不同。由云图知，通风速度为20 m3/min时，墙壁上隅角氢气最高体积分数在6.5%～7.0%之间，车辆与墙壁间(坐标x为16.0～16.5 m，z为1.5～2.5 m)氢气体积分数范围是1.0%～3.0%；
通风速度为40 m3/min时，墙壁上隅角处最高氢气体积分数在7.0%～7.5%之间，车辆与墙壁间(坐标同前)氢气体积分数范围是2.0%～3.5%.可以看出通风速度较大时氢气更容易在墙角处形成聚集，且其下部的氢气聚集程度也较大，这是因为大风速风机加剧了墙壁上隅角处局部涡流效应，从而加剧上隅角氢气的聚集，而上隅角的氢气聚集会对下部位置氢气的向上扩散产生阻碍作用，进而又加剧了墙壁处氢气的聚集。

图11 不同风速下聚顶分层阶段氢气浓度分布

增大车库内风机风速对处于聚顶分层阶段的氢气的分布状态产生了显著影响，而对处于碰撞扩散阶段的氢气影响较小。当增大风机风速时，氢气在墙壁处和墙壁上隅角的位置聚集情况得到加强，因此安全管理人员在调大风机风速的同时应该加强对上述两个位置处的氢气浓度的监测，提前做好应对措施。除此之外，车库还需尽量形成贯通风，有助于氢气排出，将墙壁处的停车位置规划到其他区域，以减少氢气聚集的风险。

1) 在无通风车库中，燃料汽车氢气泄漏分为碰撞扩散、上浮、聚顶分层三个阶段，氢气高速射流与地面碰撞后完成横向传播，并在车辆与墙壁的间隙处上浮，最终完成聚顶分层，此行为与氢气的密度特性、泄漏方向、障碍物位置相关。

2) 泄漏速度不同时，地面和人体高度处氢气浓度分布规律不同。泄漏速度越大，地面处的氢气越容易在墙壁处形成聚集，而两车之间人体高度处的氢气浓度越小。

3) 通风速度对处于上浮、聚顶分层两个阶段的氢气浓度分布影响较大。在上浮阶段，车顶部空间的氢气浓度随通风速度增大而增大；
在聚顶分层阶段，通风速度增大时，墙壁上隅角的氢气聚集效应更为明显，靠墙壁处的氢气浓度增大。