大规模液氢泄漏扩散的数值模拟与影响因素分析

摘要

氢作为一种重要的清洁能源，在化工、清洁能源以及航天推进等诸多领域得到了广泛的应用。对于氢的大规模储存、运输和应用，以低温液氢的形态比能量密度较低的常温气氢更为经济可行，有望得到快速发展。然而，一旦储存的液氢发生泄漏，可能会在周围地面形成低温液池，而快速蒸发形成的氢气会发生积聚而形成易爆混合气体，这对周围人群和环境构成巨大的潜在威胁，特别像在作为航天推进剂使用时的大规模液氢储罐，其后果尤为严重。就大规模液氢的泄漏扩散过程开展数值模拟研究，对于掌握大规模液氢的泄漏扩散机制、制定应急预案、划定紧急疏散区域、评估事故危害后果等都有非常重要的现实意义。
　　本文在综合分析国内外相关研究成果的基础上，建立了基于CFD软件FLUENT的大规模液氢泄漏扩散过程的数值模型。由于风对于氢气在大气中的漂移和扩散有着重要影响，有必要对液氢泄漏源附近的风场先进行模拟与分析。因此，相关模拟研究分成两个阶段进行，第一阶段是对大气边界层内的风场进行稳态的数值模拟，得到大空间范围内风场的模拟数据，第二阶段则利用第一阶段的数值模拟结果作为初始条件，对大规模液氢的泄漏过程进行非稳态的数值模拟。
　　在风场模型的建立过程中，通过分析风的基本特性和脉动风的主要属性，确定平均风剖面的数学表达形式以及风的湍流参数，并利用用户自定义程序对风的参数进行定义。在确定模型的计算流域并对计算流域进行网格划分之后，选择Realizable k-ε模型作为风场的湍流模型，对大空间范围内的风场进行了模拟。
　　以风场的模拟结果作为初始条件，继而进行大规模液氢泄漏和扩散过程的数值模拟。采用Mixture模型作为多相流模型，结合实验中的地面情况，按照砂石的物理性质确定下表面为恒温的地面条件，对液氢的泄漏和扩散过程进行非稳态模拟。通过与NASA的实验结果之间的对比，对模型的准确性进行验证，模拟结果对氢气扩散的动态变化过程进行形象的展示。
　　基于已经构建的大规模液氢泄漏扩散模型，着重对风温、风速、地面温度、地面粗糙度、液氢泄漏速率、泄漏出口的空化率等六个因素的改变对于大规模液氢泄漏扩散行为的影响进行分析。本文的研究结果对于探究建立更精确的大规模液氢泛溢后续行为特征的计算模型，以及建立大规模液氢泄漏扩散的后续补救和防护措施具有指导意义。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 大规模液氢泄漏扩散行为的研究概况

1.3 本文的主要研究内容与目标

第2章液氢泄漏扩散行为FLUENT仿真的有效性评价

2.1 液氢泄漏扩散行为的模拟软件概述与选择

2.2 液氢泄漏扩散模拟的实验数据对比选择

2.3 液氢泄漏扩散模拟的主要评价参数的选择

2.4 液氢泄漏扩散模拟的不确定性分析

2.5 本章小结

第3章液氢泄漏扩散的风场数值模拟

3.1 风的特性及主要参数

3.2 风场流域建模

3.3 计算流域的网格划分方式

3.4 大规模液氢泄漏扩散的风场模拟

3.5 风场模拟的结果与分析

3.6 本章小结

第4章大规模液氢泄漏扩散过程的数值模拟

4.1大规模液氢泄漏扩散过程的物理行为描述

4.2基于FLUENT的大规模液氢泄漏扩散的多相流方法

4.3大规模液氢泄漏扩散的计算流程图

4.4 大规模液氢泄漏扩散模拟的计算结果与误差分析

4.5 本章小结

第5章大规模液氢泄漏扩散行为的影响因素分析

5.1 风温对于数值模拟结果的影响分析

5.2 风速对于数值模拟结果的影响分析

5.3 地面温度对于数值模拟结果的影响分析

5.4 地面粗糙度对于数值模拟结果的影响分析

5.5液氢泄漏速率对于数值模拟结果的影响分析

5.6 泄漏出口的空化率对于数值模拟结果的影响分析

5.7 本章小结

第6章结论与展望

6.1 全文工作总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间所取得的科研成果

致谢