隧道內(nèi)燃料電池機(jī)車氫氣泄漏擴(kuò)散特性分析*

薛龍昌 默帆 宋立業(yè) 鄧佳佳 劉斌

(1.中車工業(yè)研究院有限公司 北京 100160； 2.河北石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 石家莊 050043； 3.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院 浙江舟山 316022)

0 引言

氫氣(H2)被稱為21世紀(jì)的“終極能源”，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段[1]。H2可通過燃料電池化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能，用于發(fā)電及交通運(yùn)輸?shù)萚2]。氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于軌道車輛，替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)或弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，能顯著降低建設(shè)投資，并具有高效率、無污染、低噪音等優(yōu)勢(shì)。目前，氫燃料電池機(jī)車主要采用若干高壓氫罐儲(chǔ)存H2，其高壓罐故障時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致H2泄漏。H2密度較小且易燃易爆，特別在隧道等封閉或半封閉不利于氣體擴(kuò)散的空間內(nèi)，泄漏的H2和空氣混合可能會(huì)形成氫爆炸云團(tuán)，造成嚴(yán)重后果，因此氫燃料電池機(jī)車和其他應(yīng)用中儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全性問題亟需解決[3]。

目前，一些學(xué)者已經(jīng)開展了一些關(guān)于隧道中的H2泄漏的研究，但沒有足夠完善的指導(dǎo)方針解決隧道內(nèi)的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前主要采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法。在實(shí)驗(yàn)方面，考慮到安全問題，一些學(xué)者利用相似替代物，如氦氣(He)、氮?dú)?N2)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是因?yàn)镠2和這些替代物泄漏擴(kuò)散的規(guī)律相似，但這些氣體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不存在燃燒爆炸可能性[4]。另外少數(shù)學(xué)者在確保安全情況下進(jìn)行H2泄漏燃燒實(shí)驗(yàn)。GU X等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同條件下隧道內(nèi)H2射流的火災(zāi)特性，分析了射流火災(zāi)時(shí)對(duì)隧道內(nèi)H2溫度和擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明隧道內(nèi)的升溫速率與H2擴(kuò)散速率的關(guān)系。MIDDHA P等[6]針對(duì)不同的隧道布局和一系列縱向通風(fēng)條件，通過實(shí)驗(yàn)研究了隧道中氫燃料車輛的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，該研究表明當(dāng)隧道內(nèi)縱向通風(fēng)不足時(shí)，H2泄漏危險(xiǎn)性高，可能會(huì)導(dǎo)致爆炸。在數(shù)值模擬方面，TOLIAS I C等[7]通過ADREA-HF計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)代碼針對(duì)隧道模型中的H2爆燃評(píng)估，以無車輛隧道和有車輛隧道內(nèi)的情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明考慮車輛時(shí)H2泄漏危險(xiǎn)更大。QIAN J Y等[8]研究H2在不同泄漏位置和不同風(fēng)效應(yīng)下的泄漏擴(kuò)散，考慮泄漏口和障礙物位置的影響，結(jié)果表明兩者之間空間越窄，障礙物周圍的H2濃度越大，風(fēng)險(xiǎn)因此更大。盡管已有一些學(xué)者從多個(gè)方面進(jìn)行H2泄漏和擴(kuò)散問題的探討，出于安全角度，還未考慮機(jī)車儲(chǔ)氫罐中H2在隧道內(nèi)的泄漏特征等問題。

本文采用商用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對(duì)有軌電車儲(chǔ)氫罐中H2在隧道內(nèi)意外泄漏過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先建立真實(shí)的隧道模型，模擬了儲(chǔ)氫罐中H2的泄漏和擴(kuò)散行為分析模型，研究了H2從儲(chǔ)氫罐的上方和下方泄漏2種工況。其次，考慮泄漏面積、隧道容積、縱向通風(fēng)等不同的因素，綜合分析擴(kuò)散后在隧道內(nèi)的分布情況。研究結(jié)果對(duì)促進(jìn)氫燃料機(jī)車的應(yīng)用具有積極意義。

1 CFD模型

計(jì)算域由選定的事故場(chǎng)景決定，包括隧道和機(jī)車的幾何形狀。只有1輛機(jī)車經(jīng)過隧道，此處考慮沿隧道的縱向通風(fēng)[9]。

1.1 幾何模型

圖1展示了單節(jié)列車在隧道中行駛時(shí)發(fā)生泄漏的物理模型，其中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗淼溃淼揽傞L(zhǎng)度為100 m，橫截面寬為9.6 m，高為6.6 m；長(zhǎng)方體為模擬機(jī)車。根據(jù)中車公司研制的燃料電池機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)規(guī)定列車尺寸，機(jī)車總長(zhǎng)度為30 m、寬2.65 m、高3.58 m。燃料罐距列車車頭3 m，罐長(zhǎng)為4 m。在泄漏時(shí)間和風(fēng)速等參數(shù)一致的前提下，研究燃料罐上、下泄漏口發(fā)生H2泄漏的兩種工況。如圖1，泄漏口距離車頭5 m，于罐的中心位置。上泄漏口釋放的H2相對(duì)于下方更容易擴(kuò)散，因?yàn)橄路结尫诺腍2會(huì)積聚在列車底部，對(duì)人員安全更具危險(xiǎn)性。

圖1 物理模型

泄漏域認(rèn)為是邊長(zhǎng)0.305 m的正方形，將其設(shè)置為質(zhì)量流量入口?？紤]了縱向通風(fēng)作用，隧道口為進(jìn)風(fēng)區(qū)，設(shè)置為速度入口。假設(shè)列車行駛至隧道中心處開始以恒定速率發(fā)生泄漏(較為危險(xiǎn)狀態(tài))，質(zhì)量流量為83.3 g/min，H2連續(xù)泄漏；環(huán)境壓力為大氣壓力，溫度為20 ℃，且隧道有4 m/s的縱向流動(dòng)風(fēng)。建立隧道的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2為隧道進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)格情況，此模型網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸從泄漏口逐漸向兩側(cè)變大，并將泄漏口周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格對(duì)仿真結(jié)果有很大的影響，合理的網(wǎng)格劃分極其重要。這里為保證仿真的準(zhǔn)確性，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，選擇了348萬網(wǎng)格進(jìn)行求解[10]。

圖2 隧道進(jìn)口網(wǎng)格

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)隧道內(nèi)列車H2泄漏進(jìn)行模擬[11]。該軟件應(yīng)用有限體積法離散流體流動(dòng)控制微分方程?；赗ealizablek-ε湍流模型和組分運(yùn)輸模型，Realizablek-ε模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，引入了旋轉(zhuǎn)和曲率相關(guān)內(nèi)容，可應(yīng)用于模擬氣體的湍流流動(dòng)[12]。

H2的泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬，遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程。

(1)連續(xù)性方程

(1)

(2)動(dòng)量方程

(2)

(3)

(3)能量守恒方程

(4)

(4)湍流模型

Realizablek-ε模型中，湍流動(dòng)能k及其耗散率ε由以下方程求得：

(5)

(6)

式中，Gk為由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；C1、C2和C1ε為常數(shù)；μt為湍流粘度；σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)。

(5)組分輸運(yùn)方程

組分輸運(yùn)方程表示為系統(tǒng)中組分質(zhì)量的變化率，該變化率等于通過系統(tǒng)界面的凈擴(kuò)散通量與化學(xué)反應(yīng)中組分的產(chǎn)生率之和。可認(rèn)為H2分散系統(tǒng)僅包含H2和空氣2個(gè)成分。

(7)

式中，ρ為系統(tǒng)中H2或空氣的密度；Yi為物種i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ri和Si分別為物種i的凈生產(chǎn)率和由用戶定義的源項(xiàng)和離散項(xiàng)引起的額外生產(chǎn)率。

2 模型驗(yàn)證

采用劉秀秀[13]的N2在CO2中泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)空間為2端開口、4面封閉的半封閉空間長(zhǎng)方體。圖3比較了模擬與實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)N2時(shí)變的體積分?jǐn)?shù)?？梢钥闯觯M中的形態(tài)趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)中的一致。N2的體積分?jǐn)?shù)在釋放時(shí)均有向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在67～85 s時(shí)體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持幾乎相同的增長(zhǎng)速度。其中模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差可能是測(cè)量誤差等不確定因素造成的。綜上，CFD模型是可行且有效的。

圖3 實(shí)驗(yàn)和模擬N2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

3 結(jié)果和討論

本章分析2種泄漏工況下H2釋放和擴(kuò)散的變化規(guī)律?；贖2爆炸下限濃度4%的等值面進(jìn)行分析。S1泄漏口釋放時(shí)，其周圍的濃度值較大，由于風(fēng)速和天花板的作用，H2云沿著隧道頂部向隧道出口處擴(kuò)散，并被流動(dòng)風(fēng)和持續(xù)釋放的H2沿著頂部推動(dòng)，在頂部周圍形成易燃層。t=20 s時(shí)，H2擴(kuò)散至隧道出口，H2在泄漏過程中形成H2-空氣混合層，混合層可能會(huì)形成氫爆炸云團(tuán)，造成極大的危險(xiǎn)。H2泄漏后在天花板形成的可燃?xì)怏w云輪廓不規(guī)則且相對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散其波動(dòng)值較大。泄漏一段時(shí)間后，如t=110 s時(shí)擴(kuò)散速度穩(wěn)定，擴(kuò)散到各方位的H2濃度變化不大并且擴(kuò)散區(qū)域大。對(duì)比之前時(shí)間的泄漏來說，各方位的H2濃度增大，可燃?xì)怏w云的輪廓增大，危險(xiǎn)程度大于以上情況。分析表明，如果不采取緩解措施，在隧道頂部會(huì)積聚大量的H2，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

通過分析可知，S2泄漏危險(xiǎn)程度較大，因?yàn)镠2沿車身擴(kuò)散濃度較高，在列車底部可能會(huì)形成氫爆炸云團(tuán)，風(fēng)險(xiǎn)較大。在泄漏初期人員可選擇向進(jìn)風(fēng)口的方向撤離，以確保人員安全。當(dāng)t=20 s時(shí)，H2擴(kuò)散到列車尾部，由于風(fēng)速的作用，大部分H2還會(huì)沿原來方向擴(kuò)散，又因其擴(kuò)散范圍受車尾漩渦及浮力的影響而變大，此時(shí)在列車尾部形成H2高濃度回流區(qū)。當(dāng)t=110 s時(shí)，S2泄漏的H2大規(guī)模積聚在列車尾部，由于列車上部和下部都受流動(dòng)風(fēng)的影響，擴(kuò)散到列車尾部的氣體會(huì)向頂部和隧道出口處不斷擴(kuò)散，此時(shí)可燃?xì)怏w云的輪廓變化相對(duì)穩(wěn)定。

圖4顯示了S1和S2周圍各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處H2濃度隨時(shí)間變化情況。各泄漏點(diǎn)位置見圖1。釋放初始階段，泄漏以高動(dòng)量為主，S1處監(jiān)測(cè)點(diǎn)1很快監(jiān)測(cè)到較高濃度的H2，經(jīng)過一段時(shí)間后H2濃度變化相對(duì)穩(wěn)定。隨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和4處的濃度由于通風(fēng)和頂部的作用在初始檢測(cè)時(shí)不平穩(wěn)，但很快檢測(cè)到氣體，然而濃度相對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1較低，一段時(shí)間后均達(dá)平穩(wěn)。S2釋放H2時(shí)周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)也很快檢測(cè)到氣體，由于高動(dòng)量、浮力和風(fēng)速的作用，初始階段濃度擴(kuò)散不穩(wěn)定，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)8處監(jiān)測(cè)到H2波動(dòng)較大，擴(kuò)散一段時(shí)間后達(dá)到平穩(wěn)。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值可以看出，泄漏口周圍的H2濃度更高，在此處很容易形成易燃易爆區(qū)，其風(fēng)險(xiǎn)較大。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4

4 結(jié)論

本文對(duì)隧道環(huán)境中列車壓縮氣體系統(tǒng)泄漏的H2進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，有效識(shí)別了列車在隧道中H2罐意外泄漏時(shí)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。首先，利用軟件對(duì)H2泄漏進(jìn)行模擬，詳細(xì)展示了H2在受限空間中泄漏特性；其次，探討了隧道內(nèi)縱向通風(fēng)和不同位置泄漏對(duì)氣體擴(kuò)散分布的影響；最后，從濃度范圍分析H2在隧道內(nèi)積聚的后果。主要結(jié)論如下：

(1)H2在半封閉空間釋放后，上浮擴(kuò)散，會(huì)迅速往隧道頂部和列車底部積聚，使得頂部和底部區(qū)域H2濃度較高，危險(xiǎn)性大，人員安全撤離時(shí)應(yīng)盡快離開此區(qū)域。

(2)泄漏源位置的不同，其所處的風(fēng)速相同。在初始階段，S1和S2 2種泄漏工況下，氣體擴(kuò)散受不同障礙物的影響。氣體向下游擴(kuò)散時(shí)，其濃度值越來越低，盡管其H2濃度安全限值不同，但是仍然高于安全限值。模擬結(jié)果可用于制定H2安全問題的緩解策略。