摘要
氢气的生产厂房、加注系统以及氢燃料加气站等场合在操作失误、维修失误以及环境因素影响下，会造成氢气泄漏，氢气本身性质活泼，具有可燃极限宽、燃烧速度快、火焰辐射热小、火焰不可见、火焰温度高的特点，在周围环境具备点火源情况下极易发生燃烧甚至爆炸，对周围设备及人员安全造成重大损害。环境因素改变会使氢气射流现象更加复杂，造成的经济损失与人员伤亡会更大。本文在前人基础上进一步完善影响因素对氢气射流行为特性的研究，对发射场液氢小规模泄漏，以及化工厂和氢燃料加气站等的消防防护提供了一定的指导作用，具有一定的现实意义。 本文采用理论分析发现泄漏孔径、泄漏温度和泄漏压力等自身因素，以及风速、风温等环境因素对氢气泄漏过程有较大影响，采用商业软件FLUENT对氢气的泄漏扩散过程进行数值模拟，研究不同因素对低温氢气扩散行为特性的影响。 主要内容包含以下四个方面： (1)根据前人研究对造成液氢泄漏原因进行归纳总结，采用故障树法找出泄漏原因，发现储罐管道易发生低温氢气泄漏，其中泄漏源的孔径大小、泄漏温度等参数以及环境因素变化均会导致低温氢气扩散行为不同。 (2)通过改变泄漏源影响因素与环境因素来探究低温氢气射流过程的行为特性，模拟结果显示环境风、泄漏孔大小与泄漏温度的影响较为显著，人为从地面下侧向上吹风(简称泄漏口下方来风)更有利于氢气扩散以及保护周围设备与人员的安全，泄漏孔径增大氢气扩散范围增大，泄漏温度降低更有利于氢气扩散行为的控制。 (3)对比泄漏温度与泄漏孔径的结果，泄漏温度升高氢气危险区域面积减小；采用正交实验法研究三因素影响下的氢气扩散行为特性，发现泄漏孔径显著影响低温氢气扩散行为，多因素影响下的最优组合为泄漏高度0.2m、下侧风速5m/s与泄漏孔径1mm，该组合下氢气泄漏扩散区域最小。 (4)总结了多因素影响下的射流轴向氢气质量分数衰减分布规律。射流中心氢气质量分数Ycl随轴向距离z衰减曲线为1/Ycl=0.21z/d*-20，d*为无量纲特征长度；引入风速影响，对d*进行修正，d*=dexit=ρexit(1+v)/8.74×10-3ρ∞vexit)0.5，vexit为低温氢气射流速度，v为正向风速速度；得到正向风速影响氢气轴向质量分数衰减曲线1/Ycl=0.197z/d*'-9.07。
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