摘要
作为最清洁的燃料，氢能相关技术的发展得到世界各国的普遍关注。氢气的储存是氢能推广使用的一个重要环节，由于目前尚未成熟、高效的储氢技术，已成为制约氢能发展的主要障碍之一。高压储氢已被证明是最有效的储氢方式之一，然而高压氢气泄漏可能发生自燃，进而引发火灾甚至爆炸，给高压储氢技术的发展带来了巨大挑战。高压氢气泄漏自燃涉及复杂的物理化学过程，由于当前对其机制的认识还不够深入，致使储氢系统的设计和运行缺乏相应的理论指导。在此背景下，为了揭示氢气高压自燃的机制，本文利用实验和数值模拟相结合的方法对高压氢气泄漏自燃过程进行了研究。主要工作及成果如下： 1）实验研究。基于高速摄像机、高速压力测量及光强信号采集系统，搭建了氢气实验台，并基于该实验台完成了泄漏压力、下游结构、破裂方式等对自燃着火的影响实验。基于实验数据主要分析了释放压力、管道长度、管道内径、预置裂纹形状等因素对自燃的影响。结果表明，当内径为10mm、管长低于1100mm时，临界着火压力随管长增加而降低，而当下游管道长度增加到1500mm后，临界着火压力却随管长增加而上升，在“Y”裂纹、10mm内径、1100mm下游管道长度的条件下其自燃着火的临界压力甚至可以低于4.1MPa；预置裂纹的形状对氢气自燃也有一定的影响，相较于“Y”和“+”两种预置裂纹，相同下游管道尺寸下，“-”裂纹对应的临界着火压力更高。 2）数值模拟研究。基于开源数值计算软件OpenFoam，利用氢气详细动力学机理，对管内高压氢气泄漏自燃过程进行了数值模拟研究，模拟结果与实验结果的对比，证明了模型和数值模拟算法的正确性。基于该模型和算法对氢气泄漏自燃过程进行了动力学模拟，详细分析了释放压力、下游管道结构等对自燃着火特性的影响。研究结果表明，氢气初始压力的增加会极大地提高激波后氢-空气混合物的温度，并在氢-空气混合区前沿产生大量的自由基，高温环境和自由基浓度的增加共同促进了自燃现象的发生；下游管道长度几乎不影响前期激波发展过程和组分变化，但是随着下游管道长度的增加，氢-空气混合物在管内的停留时间也越长，则更有利于自燃的发生。 通过实验及模拟研究，本文获得了高压氢气泄漏自燃的一些基本规律，为储氢设备的研制及其安全使用提供了一定理论依据，为进一步深入认识高压氢气泄漏自燃过程创造了条件。
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