关于小区车库氢气释放事故的数值研究外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

Numerical study of hydrogen release accidents in a residential garage

关于小区车库氢气释放事故的数值研究

摘要

市场中对使用氢气申请的增加的同时也需要更好地理解与结构中的意外泄漏相关的离差和累积方面的知识。预测氢浓度在结构不同流速和泄漏位置的改变与时间的关系是具有挑战性的。CFD建模广泛应用于一项研究，旨在表征与建筑中的氢燃料汽车停车相关的成本与可能的变化。我们充分详细地描述我们的CFD方法，证明使用商业软件FLUENT选择模型的正确性，并且我们探索了泄漏位置，释放率，泄漏持续时间和氢浓度之间的关系。当泄漏位置接近车库的中心时，鼓励稳定的分层。当泄漏时间很重要且流量低时，氢浓度较高，泄漏情况更危险。

正文

有利于可持续发展的方法有助于减少能源消耗，污染控制和一次能源的多样化，发展可再生能源。氢气是可能限制温室气体长期排放的新能源之一。实际上，在燃料电池或内燃机中使用的氢是能量载体，其以水作为唯一的残余物提供电和热。但即使氢气是“极易燃”气体分类：它具有从4％到75％的宽的可燃性范围。其点火能量比常规烃的点燃能量低约10倍。通过cons，自燃温度较高约为585℃。空气中的氢燃烧火焰几乎不可见，极热（2000℃）。它在密闭区域显示出非常高的潜在爆炸性。它是所有气体中最轻的; 它在空气中非常容易扩散并且具有较高的逃离倾向^[1]。

如果燃料存储系统内含有会使可燃混合物在结构内或车辆内累积的泄露时，那么将氢燃料电池汽车存储在车库中就会造成安全隐患。氢气泄漏的研究对于避免意外点火是极其重要的，并且需要为泄漏设置安全边际。因此，为了确保氢气的安全使用，有必要预测和了解其泄漏和分散的特性。积累的氢 - 空气混合物的特性及其随时间的演变的知识对于风险评估是重要的^[1,2]。以前的室内氢泄漏研究采用了简化分析，计算流体动力学（CFD）建模和实验室测试。研究主题包括通过喷嘴的氢气射流，边界层，垂直圆柱体中的瞬态分散，隧道和家庭房间中的车库中的分散和自然通风^[3]，泄漏和向大气中的扩散的影响。亚辛等人通过FLUENT研究了效应约束对具有顶角A的棱柱形腔内的1h泄漏的氢的行为^[4,5]。他们测试了各种A值（A =180ordm;，150ordm;，120ordm;和90ordm;）。 他们表明，随着三层的形成，氢浓度随着时间的增加而增加，其中层化的流动程度从一层到另一层变化，并且摩尔分数受到顶角的强烈影响^[6]。结果表明，120°的顶角A可产生较低的摩尔分数，A = 180°，150°和90°; 这意味着120°可以在这里被选择为最佳顶角。研究了一个洞内释放的氢的时间和空间分布，其尺寸被设计成代表具有在地板附近的单个通风口的单个车库^[7,8]。 改变注入气体体积流量和持续时间^[9]。 松浦等人提出了一种基于实时检测泄漏氢气的强制通风风险缓解控制方法^[10]。资料表明在澄清了具有恒定排气流速的通风的缺点之后，对于排气流速的曲线（我们称为可接受性曲线图）被构造成对于各种流入速率和泄漏位置显示可接受的排气流速^[11]。假设实时感测氢浓度和高度方向速度，然后估计泄漏氢的体积流量。基于估计的泄漏流量和屋顶附近的氢传感器信息，考虑可接受性区域来控制通风。强制通风方法在约10秒内使氢气通风，空间的一侧完全打开，并且氢气浮力羽流在强制通风期间经受交叉流动。皮特等人进行实验研究以表征在住宅车库中的氦气的行为减少1/4，当氢气 - 空气混合物释放在两辆车的住宅车库中时; 他们研究了氢气部分在具有和没有车辆的车库中的分布，氢 - 空气混合物的燃烧行为导致车库和车辆的损坏。松浦澄清了通风系统的几何配置对自然和强制通风泄漏氢气分散和积聚的影响^[12]。 发现对于理解通过门通风口从外部取出空气的条件以便进行氢气安全的强制通风是非常关键的。这是作者知道的第一次，提出了一种基于实时感知的自适应风险缓解算法^[13]，用于在部分开放空间中泄漏氢气。 到目前为止，一个周期1000秒^[14]。对于在本研究中考虑的具有尺寸和泄漏条件的空间中的自然通风是必要的^[15]。通风控制方法是在大约几十秒内使氢气通风。大麦等人研究了由两个垂直分开的通风口提供的自然通风对实际尺寸外壳中氦的累积的有效性^[16]。参数变化包括氦体积流量和氦释放分布。

如果只考虑能源观点，氢似乎是克服当前能源和环境危机最为有效的解决方案。实际上，氢几乎是无穷无尽的，并且以水的形式存在于任何地方，因此它可以在所有国家生产，这解决了国家之间的经济和社会政治紧张局势。 此外，它没有污染。氢因此看起来是理想的，但是这种观点是非常简单的，并且没有考虑上述用于生产，储存，分配和使用的各种困难，特别是因为一些研究已显示在受限空间中的分散和积累的氢是最危险的情况。在研究中使用氢需要一个适当准备的系统，以确保安全的执行实验。在这方面，CFD（计算动态流体）被认为是最为有效和安全的方法^[17]。如果诸如化学，物理和湍流模型，边界条件等的构成因素是安全模型，并且验证数值方案，则该方法提供了关于增加潜在危害的整体连接的大量信息。这个重要信息是最小化计算所需的。

在本研究中，考虑影响氢浓度和积累行为的重要因素，例如泄漏位置，泄漏持续时间和质量流量，使用商业软件FLUENT研究棱柱车库中氢的分散。

模型描述

数学模型

具有重力的连续性和可压缩纳维叶-斯托克斯方程以及氢质量分数的能量和输运方程用于数值解析。气体根据菲克扩散定律。理想气体方程用于求解方程组。在制定控制方程中，氢浮力羽流被归类为非不西内，因此不使用不西内近似。由于热和化学原因的密度差异导致的浮力效应被直接处理^[18,19]。混合模型求解混合物的连续性方程，混合物的动量方程，混合物的能量方程和次级相的体积分数方程以及相对速度的代数表达式^[20]。

数值方法

在本节中，我们旨在测试FLUENT软件的能力，以满足我们的研究条件的约束，并了解在住宅车库意外泄漏期间氢气流的时空行为。模拟的不同条件将允许我们识别FLUENT代码在不稳定，时间变化的动量，自由基和注入的能量中再现的能力，以显示流动状态的影响，以选择最适合于我们的情况的流动状态。首先，威廉等人提出了不同模拟参数（湍流的网格处理选择）对数值结果的影响的初步分析^[14]。 然后我们将这些数值结果与威廉等人的实验结果进行比较。以验证我们的模型选择。

几何构型

威廉等人的车库具有6.1m（宽），6.1m（长），3.05m（高）的内部尺寸。在右侧壁中的2.3m高度处的两个0.2mtimes;0.2m的开口提供对内部的视觉通路（图1）。在本研究中，通过分别沿着（x，y，z）的尺寸（0.305m，0.305m，0.15m）的上喷嘴矩形截面进入车库的氢位于车库地板的中心。在这项工作中，Gambit软件用于构建和网格化车库。关于建模，我们使用6.3.26版本的FLUENT CFD软件。

网格的灵敏度

网格质量对数值结果有很大的重要性。 如前所述，我们应该做一个足够细的网格，以使结果具有良好的精度，但是过度细化的网格会导致非常长的计算时间。 当根据单元的大小和形状来构造网格以限制数字误差时，某些规则是适用的。这里的目的是研究数值结果的网格灵敏度。 我们通过检查单元格大小的五个值，使用结构化和紧密的六面体网格。 网格的细节总结在表1中。

为了总结网格的选择，我们在表2中比较了均方根误差的演变。误差由下式定义：RMSE(x; y)=其中x是包含n个模拟值的向量，y是第（i-1）向量包含n个实验值。

将FLUENT软件模拟的氢摩尔分数与图1中的实验结果进行比较。图3作为在车库屋顶附近的坐标点（x = 3.05m，y = 5.49m，z = 3.05m）处泄漏1h后的网格的函数。

发现网格细化程度对数值解的影响有限。在摩尔分数的分布方面，所有网格产生与实验不同的偏差。在这项研究之后，网格4最终被保留，因为它具有最小的RMSE误差，并且还具有良好的报告精度/计算时间。

有效的涡轮模型

文献显示可以使用几种湍流模型：标准k-ε模型，RNG k-ε模型，可实现k-ε模型和LES模型^[21-24]。我们在这部分介绍效应湍流模型的结果与FLUENT软件氢分散的数值模拟。

氢摩尔分数的测量是用于评价所测试的模型的参考。 为了确保湍流模型的选择是最合适的，四个模型的模拟分数与实验分数之间的比较如图2所示。除了LES模式，三种模式的结果K-ε标准，K-εRNG和k-ε变现基本相似相近。 我们可以得出结论，这三种湍流模型可用于正确预测在有限通风腔内氢流量的特征量。这由表3证实，其比较了所测试的湍流模型之间的RMSE误差。考虑到结果对于车库几何形状和所研究的摩尔分数的标准^[14]，k-ε模型稍微令人满意，并且看到该模型更容易快速实施，将其用于所进行的所有数值模拟FLUENT。

结果与讨论

数值模型的验证

我们使用已经验证的数字代码开始演示结果。图5显示了我们使用FLUENT软件获得的数值结果与威廉等人的实验结果的比较。其测量在车库的垂直线（x = 3.05m，y = 5.49m）上的几个位置处的时间的函数的氢体积分数。 在每种情况下，最近的天花板传感器是首先检测氢气。只需要几秒钟氢就可以到达这个地方。 随着时间的流逝，氢气的体积分数在释放氢气期间增加，这几乎是一小时^[14]。我们注意到，氢的体积分数（约30％）的这些值对于车库内的氢气/空气混合物是足够的，因为氢气的可燃性是（4％-75％）是可燃的。尽管在车库的右侧壁上存在两个开口，但是它们不足以使空间通风并避免氢的积聚。 我们还注意到，图1中的轮廓的形状。图5非常合适; 它是安全工程非常好的协议。

然而，请记住，氢分散的建模是非常复杂的，并且在一些情况会出现一些未预期的差异。尽可能准确地表示几何形状和场景以获得最佳结果是非常重要的。

泄漏位置的影响

亚辛等人^[1]研究了棱柱几何形状的顶角A对在意外泄漏期间氢的积聚和分散的影响。他们测试了四个顶角“A”值（A =180ordm;，150ordm;，120ordm;和90ordm;）。 结果表明，对于A = 120°，氢气流很好地分层，最强的层位于车库的上部空腔中，并且摩尔分数与其他A值相比较低，这意味着A = 120°可以被选择为最佳顶角。

基于这些结果，在本文的其余部分将使用顶角A = 120°的几何形状来研究泄漏位置和氢的质量流率的影响。

流动速度的演变

图6显示了棱镜腔A = 120°的正视图和侧视图，中间平面y = 3.05m以及沿x轴的三条水平线，我们稍后将在结果表示中使用。

在本节中，研究了泄漏位置对车库内流动的影响。图7显示了沿平面y = 3.05m的不同的值的速度矢量。结果表明，流动由主要由沿垂直方向移动的几个流体细丝组成。这种类似于羽流的流动被分成三个不同的区域; 靠近源的第一区域，其中动力梯度相对强并且流加速由浮力诱发。在产生流动的第二区域中，平均速度达到对应于加速流体的浮力和该流体的粘性力之间的平衡的最大值。第三区，其中完全建立湍流，并且浮力支配车库上部的动力学。 结果还表明在射流的轴的两侧存在两个再循环区域，其中= 3.05m。

在接近壁源（ = 1m和 = 5m）时，观察到涡流尺寸的不对称性，在这种情况下，任何再循环区域将被耗尽，并且在另一侧形成更大尺寸的陀飞轮低于天花板。这些绕组引起显著的空气驱动，增加了射流的速度和厚度。

在这三种情况下，对于相同的质量流率，对于第一种情况 = 5m，速度较低，其显示了刚好放置在源附近的右侧壁（平面= 6.1m）上的两个通风开口对氢含量的影响。

氢分离研究

许多研究人员已经描述了羽流中的驱动流体与由浮力驱动产生的分层模型之间的关系。林登等人在自然通风的流体力学中研究建筑物中的浮力驱动的通风流动。它们的主要结果之一是，只有空间中分层的强度取决于源的强度：分层本身由由羽流引起的夹带决定。此外，他们确定了基于有效排气面积的关系创建任意稳定分层的标准。该关系基于建筑物内部和外部的静水压力相同的水平。

图8描绘了在源的三个位置的中值平面y = 3.05m之后氢的摩尔浓度的轮廓。

结果表明，积聚在屋顶附近的氢气从停滞区域移除，如在第一种情况 = 3.05m，他被更稳定地排空。然而，当源接近车库中心并且氢 - 空气混合物变得越来越均匀时，氢浓度降低。

氢释放和空气中的分散的流动特性取决于重要的无量纲参数，例如理查森数Ri，其定义如下^[26]，表征浮力对惯性力的重要性，并且提供关于分层现象的另一物理描述。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[139742]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word