受限空间氢泄爆外部超压特性研究

摘要

作为一种清洁环保的二次能源,氢能已得到世界各国的高度关注,尤其是在“碳达峰”“碳中和”的背景下,氢能必将迎来更加广阔的发展前景。然而,由于氢气具有爆炸极限范围宽、点火能低及燃烧速率快等特点,在受限空间内发生的意外氢泄漏极有可能引发爆炸。爆炸泄压是减轻爆炸后果的有效方法,但目前国内外对受限空间内氢爆炸泄压方面的研究相对有限,已有研究主要关注泄爆过程中受限空间内部压力的发展变化过程,缺乏对氢泄爆过程中外部爆炸压力分布规律、演变机制等的研究。前期,基于开展的27 m^(3)受限空间氢泄爆实验研究,发现外场不同位置得到的超压随泄爆面积的变化规律而存在差异,因受限于实验条件,未能开展更大泄爆面积、更高氢浓度条件下的受限空间氢泄爆外场超压特性实验研究。基于此,本文利用CFD数值仿真软件FLACS建立了27 m3舱的数值分析模型,将泄爆面积扩大至3.14 m^(2)、最大氢体积分数增至30%,研究了氢泄爆过程中外部爆炸的形成机制、超压分布规律与危害范围,并分析了不同因素的影响。结果表明:当泄爆口较大时,受限空间氢泄爆会导致外部较大体积可燃气云的形成,并进而被喷出火焰引燃而产生外部爆炸,该外部爆炸的形成过程可用FLACS有效模拟;在大泄爆口条件下,外部不同位置处最大超压与浓度间呈单调变化关系,但近泄爆口各位置间的超压变化率与浓度间呈非单调关系;不同点火条件下,泄爆口附近区域最大超压呈形态不同的楔形分布,但危害范围分布模式完全不同,后端点火对应的外场超压与危害范围均大于中心点火情况。