何 静，刘宏波，魏 列，岑 康
(1.西南石油大学 土木工程与测绘学院，四川 成都 610500；
2.四川省燃气安全与高效利用工程技术研究中心，四川 成都 610016)
“十四五”规划提出“碳达峰、碳中和”目标以来，能源结构转型迫在眉睫。氢能源作为传统化石燃料的替代品，具有环保、可再生、加注速度快等优点，近年来得到广泛应用。截止2021年11月，我国已有8 461辆燃料电池汽车，根据国家中长期规划，2025年燃料电池汽车保有量将达5万辆[1]。然而由于氢气的爆炸范围广，若将氢燃料电池汽车停放在相对封闭的车库中，氢泄漏扩散后遇到火源就会发生火灾和爆炸[2]，故须进一步研究氢能使用的安全性，解决氢能安全问题。
针对小型受限空间中氢气的泄漏扩散研究广泛，孙智浩[2]利用CFD探究是否存在障碍物等情况下，空间内氢气浓度分布和压力峰值的变化。Hajji等[3-4]利用数值模拟研究棱形车库顶角角度和自然通风对氢气泄漏扩散后浓度梯度和分层的影响。卢明等[5]对室内储氢罐的泄漏扩散过程进行数值模拟得到氢气泄漏扩散的速度分布、浓度分布情况。刘廷雷等[6]建立燃料车内氢气泄漏扩散的数值分析模型，得到氢气在车内泄漏扩散后的危险区域分布情况。
大型受限空间发生氢泄漏后，氢气扩散范围广，若没有良好的通风，遇到明火也会有爆炸和燃烧的风险。Chen等[7]和Huang等[8]根据相似原理搭建缩尺实验台模拟研究大型密闭空间内氢气的扩散特性和不同通风布局对氢气扩散分布的影响。Choi等[9]研究泄漏流量和通风风扇对氢气扩散的影响。Li等[10]研究不同横梁高度对氢气泄漏的影响。Bauwens等[11]模拟研究不同泄漏速度下，氢气在大型仓库内的泄漏扩散分布状态。
目前针对燃料电池氢气泄漏扩散过程的研究较多，但鲜有针对大型受限空间氢气泄漏后通风方式对其扩散分布、可燃性气体体积影响方面的研究。因此，本文综合已有研究成果，对大型车库燃料电池汽车泄漏进行数值模拟分析和研究，探究不同通风方式下车库内氢气分布情况，得出最佳通风布置方式，以期为氢燃料电池汽车车库的通风设计提供参考和借鉴。
1.1 物理模型
《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067—2014)[12]规定地下停车库的防烟分区面积为2 000 m2，因此以2 000 m2为基本单元建立模型。车库外形尺寸取46.8 m×46.8 m×4 m[13]。车身长、宽、高分别为4.694 m、1.85 m、1.443 m，氢气通过1个边长为0.2 m正方形泄漏口以388 g/min的速度泄漏至车库内，此流速足以给1台氢燃料电池汽车提供充足的能量[14]。车库出口为压力出口。设置不同送、排风口形式如表1所示，其中工况M2在吊顶设置16个诱导器，每台诱导器的风量为750 m3/h，送风方向向下偏45°。送、排风口尺寸为0.5 m×0.5 m，送风口送风风速为3 m/s，排风口的气体去除速度设置为1.16 m/s。不同通风方式下的车库模型如图1所示。
图1 不同通风方式下的车库模型Fig.1 Garage models under different ventilation modes
表1 不同工况的通风方式Table 1 Ventilation modes under different conditions
1.2 计算条件
本文利用Fluent进行数值模拟，计算过程中采用以下假设：
1)假设氢气为理想气体，以恒定速率释放，泄漏口的氢气流速设置为质量流速。
2)泄漏扩散过程中忽略相态变化和化学反应，不考虑燃烧爆炸过程。
3)选择标准k-ε湍流模型和组分输运模型。
为快速生成网格、提高运算效率，将计算区域划分为四面体网格，对泄漏口、通风口进行网格局部加密，以此来提高网格质量和计算的精确度。图2为M2工况下车库整体网格和燃料电池汽车局部加密的网格示意图。全流域最大尺寸设置为0.5，网格无关性测试后选择420 W网格进行计算模拟。
图2 车库M2通风方式网格Fig.2 Grid of garage under M2 ventilation mode
1.3 数学模型
氢气的泄漏扩散数值模拟是基于能量、动量、质量守恒定律和组分输运方程，这些方程可以用1个通用的形式来表示，如式(1)所示：
(1)
式中：ρ为气体密度，kg/m3；
τ为时间，s；
φ为通用变量；
uj为速度矢量沿x、y、z方向分量,m/s；
Γ为广义扩散系数；
S为广义源项。
1.4 模型验证
为验证CFD模型的有效性，依据Chen等[7]的实验进行建模，将模拟结果与实验数据进行对比。图3为1个长60 m、宽36 m、高5.76 m的地下停车场模型，车库入口宽5.8 m、高3.2 m，车身长3.6 m、宽1.56 m、高1.4 m。泄漏口为1个边长为0.2 m的正方形。实验中由于氦气安全性较高且其物理性质接近氢气，选择用氦气代替氢气，将氦气以u0=17.82 m/s的速度从泄漏口向下泄漏，氦气射流以较高的动量撞击地板，然后横向扩散。垂直方向的浮力驱动氦气向上移动，流动至天花板。文献[7]中案例1，将监测点布置在泄漏的汽车附近，泄漏时间为300 s。取案例1中4个监测点：CS5、CS6、CS8、CS9用以验证模型可靠性，位置如图3所示。
图3 地下停车场模型Fig.3 Model of underground garage
图4为氦气摩尔分数随时间的变化曲线。文献[7]为1/24缩小模型，用无量纲常量扩大结果范围，如式(2)所示：
图4 实验和模拟中氦气摩尔分数变化曲线Fig.4 Variation curves of helium mole fraction in experiment and simulation
t*=H2/3A-1F01/3t
(2)
式中：t*是归一化时间，s；
H是车库模型高度，取0.24 m；
A是地下车库的面积，为3.75 m3；
F0是浮力通量；
t是实际时间，取300 s。其中，F0计算如式(3)：
(3)
式中：ρair是空气密度，取1.293 kg/m3；
ρHe是氦气密度，取0.179 kg/m3；
g是重力加速度，取9.8 m/s2；
Q是喷射流量，取5.59 SLPM。
气体泄漏后，首先在泄漏口下方监测到气体，随后横向扩散后向上移动。验证结果表明模拟结果与实验结果基本吻合，本文建立的CFD模型有效。
2.1 M1扩散分布
燃料电池汽车氢气意外泄漏后，动能迅速衰减，氢气先快速撞击地面填满泄漏汽车下方区域，由于浮力作用，从泄漏车辆底部周围流出后向车库顶部运动，沿着车库顶部向周围扩散，对周围汽车影响较小。泄漏后前20 s内M1工况下可燃性下限(摩尔分数≥4%)气体分布如图5所示，400 s内可燃性气体体积随时间变化如图6所示，泄漏后可燃性气体体积先增加，15 s后保持在2.5 m3左右，停车场大部分区域未达到可燃性下限。泄漏车辆的底部和周围被易燃气体云覆盖，因此如果泄漏的氢气遇到火源被点燃，会给泄漏车辆甚至整个车库带来重大安全隐患。
图5 M1工况下可燃下限气体云图Fig.5 Cloud map of lower flammable limit gas under M1 condition
2.2 通风方式的影响
2.2.1 可燃性气体体积
由图6可知，M1可燃性区域体积在2.5 m3左右，M5、M6在1.5～2 m3之间波动，M2、M3、M4在1 m3左右。M2、M3、M4底部有送风，明显降低了可燃性区域体积。
图6 不同通风方式下可燃性体积的变化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)水平扩散
在泄漏点正上方的天花板上沿X方向绘制水平直线h1(高3.8 m)，使用沿h1的氢气摩尔分数分布来表示氢在水平方向上的分散特性。
图7为不同通风方式下氢气的水平分散特性。氢气泄漏扩散后顶部混合气层分布不均，氢气摩尔分数随着泄漏点向两边的水平距离衰减，与小空间相比，大空间增加了氢气的扩散时间。
由图7可知，M1泄漏点上方浓度变化不大，周围氢浓度逐渐增加，混合气层逐渐变厚；
M2在300 s以后，泄漏口上部氢浓度迅速增加，两侧浓度缓慢增加，与M1相比整体空间内氢气浓度更低；
M3和M4两侧氢浓度逐步增加，其整个空间中最大氢摩尔分数比M1、M2小；
M5和M6是侧墙顶部送风，氢气泄漏后先向上运动，车辆两侧浓度逐渐增加，后由于侧墙顶部送风影响，混合气体被迫向下扩散，浓度降低，并且车库整体空间中浓度明显降低。
图7 不同通风方式下氢气水平方向分散特性Fig.7 Dispersion characteristics of hydrogen in horizontal direction under different ventilation modes
2)垂直扩散
在距泄漏点6，12 m(X正方向)和6，12，18，24，30 m(X负方向)的水平距离处沿泄漏的一侧布置7 条垂直直线(a1～a7)。沿着这些垂直线的氢气摩尔分数用于表示400 s时氢气在垂直方向上的扩散特性。
图8为不同通风方式下氢气的垂直分散特性。M1的氢浓度分布分为3个不同的层：没有氢的底层、氢浓度较均匀的顶层，以及中间的过渡层。氢浓度在过渡区域迅速增加，然后在顶部区域保持相对恒定；
M2、M3、M4氢浓度较M1低，由于送排风影响导致混合气层在整个车库内流动，车库内底层氢气浓度比M1有所增加，但都在可燃区域下限内，送排风使氢气在整个车库内扩散开，不会全部堆积在顶部，过渡层和顶层氢浓度比M1有所减少；
M5、M6氢浓度较其他工况均有所降低，由于侧墙顶部送风，顶部堆积的氢气快速向底层扩散，整个车库内氢气浓度分布更加均匀。
图8 不同通风方式下氢气垂直分散特性Fig.8 Vertical dispersion characteristics of hydrogen under different ventilation modes
2.3 泄漏位置的影响
图9和图10分别为泄漏口在墙角和M1位置处不同时间氢气扩散云图。
图9 泄漏口在墙角氢气扩散云图Fig.9 Could map of hydrogen diffusion with leakage outlet at wall corner
图10 泄漏口在M1氢气扩散云图Fig.10 Could map of hydrogen diffusion with leakage outlet at M1
墙角泄漏时，200 s前车库顶部氢气逐渐向墙壁移动，大约在200 s氢气扩散至壁面，随后沿壁面向下流动，混合气层厚度增加，往车辆方向回流，若泄漏时间更长，氢气会逐渐向下扩散。M1工况位置泄漏时，80 s右侧氢气扩散至墙壁，250 s左侧氢气扩散至墙壁处，沿壁面向下运动，混合气层厚度增加，随后再往车辆方向回流。
泄漏位置对水平扩散和垂直扩散影响不大。不同泄漏口位置前50 s可燃区域体积变化如表2所示，由表2可知泄漏口在车库M1位置泄漏时，可燃性区域在前15 s增长至2.5 m3左右后会保持在2.5 m3，但泄漏口在墙角时可燃气体云体积很大，在前50 s可燃性区域体积不断增加，在50 s时可燃性区域体积达到5.88 m3，故需要加强对泄漏车辆周围进行局部通风。泄漏口在墙角并设置底部送风时，能保证可燃体积不大幅度增加，可燃性体积保持在2 m3以内。
表2 不同泄漏口位置前50 s可燃性区域体积变化Table 2 Change in volume of flammable area in first 50 s under different leakage outlet locations
1)对工况M1进行分析，得出氢气泄漏后前20 s可燃性体积不断增加，可燃性气体主要分布在泄漏车辆周围，汽车周围着火风险高，周围汽车危险低。
2)通过对6种不同通风方式进行分析，得出在侧墙底部送风的工况M2、M3、M4可燃气体云体积在1 m3左右，在侧墙顶部送风的工况M5、M6可燃气体云体积在1.5～2 m3左右波动。无任何通风口的工况M1可燃气体云体积在2.5 m3左右。底部送风明显减小了可燃气体云体积。
3)地下车库为大型密闭空间，氢气意外泄漏后，空间中氢气浓度分布不均，侧墙顶部送风让氢气扩散至过渡层和底层，侧墙底部送风能减少氢气在顶部堆积，大部分区域可燃性气体体积在可燃性下限内。
4)泄漏发生在角落时，对氢气水平扩散没有明显影响，但泄漏车辆附近的墙壁会导致氢气堆积在角落，在底部设置送风口能让可燃性区域体积保持在一定范围内。因此车库内可根据实际车辆停放位置布置送、排风口位置以降低可燃性区域体积，降低安全风险。
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