高压氢循环实验室氢泄漏仿真模拟与评估.pdf
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1、自动化应用数据处理与人工智能高压氢循环实验室氢泄漏仿真模拟与评估田元华1-2,李晓欢,耿梓桐,刘金伟2,田丽2(1.上海大学管理学院,上海2 0 18 0 0;2.未势能源科技有限公司,河北保定0 7 10 0 0)摘要:本文建立了涉氢实验室三维模型,基于Fluent对氢泄漏后的扩散行为进行仿真模拟,旨在优化现场氢气探测器布局,改善通风条件,此外,还计算了氢气探测器响应后泄漏至实验室房间内的氢气总量,然后建立了以爆炸超压和距离为指标的氢泄露严重程度的定量评估方法,为涉氢场所的抗爆设计提供理论依据。关键词:高压氢循环实验室,氢泄露,定量评估,TNT当量法中图分类号:X928Simulation
2、and Evaluation of Hydrogen Leakage in High Pressure Hydrogen Cycle Laboratory(1.School of Management,Shanghai University,Shanghai 201800,China;2.Weishi Energy Technology Co.,Ltd.,Abstract:A three-dimensional model of a hydrogen laboratory was established by this paper,and the diffusion behavior afte
3、rhydrogen leakage was simulated using fluent.The aim was to optimize the layout of on-site hydrogen detectors and improveventilation conditions.And the total amount of hydrogen that has leaked into the laboratory room after the response of thehydrogen detector was calculated,and a quantitative evalu
4、ation method for the severity of hydrogen leakage based onexplosion overpressure and distance was established,providing a theoretical basis for the anti explosion design of hydrogenrelated places.Key words:high pressure hydrogen cycle laboratory,hydrogen leakage,quantitative assessment,TNT equivalen
5、t method文献标识码:ATIAN Yuanhua?,LI Xiaohuan?,GENG Zitong?,LIU Jinwei?,TIAN Li?Baoding,Hebei 071000,China)0引言储氢技术是氢能应用走向规模化的关键,目前,市场主流储氢方式为高压气态储氢,气瓶、阀件等储氢产品的相关氢循环疲劳试验场所的安全逐步得到业内人士的关注。高压氢气一旦泄漏,将迅速扩散至整个实验室,目前对于涉氢实验室的安全设计一般参考建筑设计防火规范(GB50016)2;氢气站设计规范(GB50177)等标准3,仅对其氢气探测、通风排风、泄爆要求作出一般性的规定。基于Fluent对该涉氢场所潜在
6、氢泄漏的仿真模拟能为改善现场通风、氢气探测器的布局以及抗爆能力等安全措施的制定提供进一步的指导依据。本文基于国内第一套10 5Mpa高压氢气循环疲劳试验系统,其储氢瓶升压速度参考SAEJ2601、G T RNO.13标准中规定的3 5min完成充气的固定速度,且充氢速度不超过6 0 g/s。测试气瓶内压力最高可达8 7.5MPa,部分管道压力最高可达10 5MPa。焦明宇4在对燃料电池汽车及车载供氢系统组成及特性分析的基础上,建立物理简化模型,选择合理的网格划分方式对模型划分网格,建立燃料电池汽车氢气泄漏扩作者简介:田元华,男,19 8 9 年生,硕士,工程师,研究方向为氢安全。176|自动化
7、应用散过程的仿真模型,并在Fluent仿真平台设定条件及参数进行求解,验证了数值方法模拟氢气泄漏扩散过程的可行性。Lacome 等5考察了不同泄漏速率及口径对封闭空间内氢气泄漏扩散的影响,观察出氢气分层现象,空间上方有爆炸性混合气体,且气层随泄漏不断增厚,并利用氮气进行试验,结果显示氨气也可反映氢气的泄漏扩散规律。Choi等6 利用Fluent软件模拟氢气在地下停车场内的扩散过程,分析了不同氢气泄漏流量下可燃区域体积比随时间的变化情况。1几何建模根据高压氢循环实验室的特点,简化该实验室,所建立的氢循环实验室几何模型如图1所示。整个实验室呈之字形分布,长为2 4m,宽为16 m,高为8.3m。室
8、内关键设施有气瓶环境仓、部件环境仓3台,以及热交换器、阀站等设备装置。口设置在环境仓与氢气管道交界面处,直径为12 mm,同时实验室顶部设置有2 处风帽作为自然通风口,直径为 8 0 0 mm。为便于观察氢泄漏扩散行为,设置了4个观测点用于数据处理与人工智能自动化应用研究氢气探测器触发后的响应时间,分别为point7一差,发生射流现象。管道内泄漏出的氢气与实验室内的空point10。其中,point7、p o i n t 8 为现场真实探测器位置,距地气存在动量差,在粘性的作用下进行动量交换,卷入周边面高度6 m,point10、p o i n t 9 分别在point7、p o i n t
9、8 的原有位空气形成氢气-空气混合气体,研究考虑氢气浮力的影响,置基础上提升至8 m。且point8、p o i n t 9 几乎垂直于自然排但由于假设射流方向与地面成45夹角,射流过程中的浮风口下方。另外,在实验室内部设置有3个平面,如图2 所力效应并不明显。在内外压差较大的前提下,氢气射流表示,分别命名为plane6、p l a n e l 1、p l a n e 12,其中,plane6垂现为强流流动。通过临界压力的大小判断该射流是处于直于泄漏口中心点,planel1和plane12平行于地面且高度超音速流动,其流场结构属于高度欠膨胀射流。流场结分别设置为6 m.8m。构如图3所示9。P
10、ointloPlanel2PoinitgPoints射流边界泄漏口Poit7Planell三Plane6边界层拦截冲波膨胀波射流轴线斜冲波正冲波滑移流图1氢循环实验室几何模型示意图2网格划分基于CFD对于高压氢泄漏扩散过程的模拟实际是对连续方程、动量方程、能量方程以及组分输运微分方程进行时间以及空间的离散,然后采用有限元法求解离散节点上的数值,因此需要对建立的实验室几何模型进行网格划分7。由于氢循环实验室几何结构简单,而且Ansys自带的Mesh软件具备网格自动化较高、操作简单的特点,因此,选用该软件进行网格划分,但同时该软件主要生成非结构化网格,生成的网格数量偏大。在本案例中入口尺寸至实验室
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