高压储氢罐爆炸的计算研究

“Computational study of a high - pressure hydrogen storage tank explosion at different heights from the ground” 由 Dinesh Myilsamy 和 Chang Bo Oh 撰写。通过数值模拟研究不同高度的 35 - MPa、72.4 - L 高压氢储存罐爆炸情况，分析爆炸超压特性、氢气自动点火现象以及不同高度和位置对氢气分布的影响。

1. 研究背景

氢能的重要性与应用

随着全球能源需求的增加以及全球变暖问题的加剧，促使全球各国寻求清洁、可持续的能源。氢能作为一种快速崛起的清洁能源技术，因其具有可获取性、可持续性和清洁排放等优点，受到了国际科学界的广泛关注。

基于物理的氢气存储方法主要包括低温液态氢、低温压缩氢和高压压缩氢气。其中，高压压缩氢气存储由于其体积小、便于携带的特点，被广泛应用于燃料电池汽车中。

相关研究现状

已有一些关于高压氢罐爆炸的实验和数值研究。实验研究方面，如 Weyandt 对 34.5 - MPa 高压氢储存罐进行丙烷篝火测试，Park 等人对 70 - MPa 高压氢储存罐在半封闭空间爆炸进行研究等，但实验研究存在危险且投资大，难以进行参数化研究。

数值研究方面，不同研究者采用了不同的湍流模型、燃烧模型等对高压氢罐爆炸进行研究。例如 Kim 等人采用可实现的湍流模型和单步涡耗散燃烧模型；Shentsov 等人采用重整化群（RNG）湍流模型和 13 种物质、37 步反应的涡耗散燃烧模型等。然而，这些研究存在一定局限性，如部分湍流模型在预测远距离最大超压值时不准确，且大多假设罐在爆炸时是水平的。

2. 数值方法

• 控制方程
  • 基于非定常雷诺平均纳维 - 斯托克斯（URANS）方法，对 Navier - Stokes 方程在每个时间步进行平均。通过质量加权平均法将物理量分解为平均量和脉动量，得到了质量、动量、组分和能量的 Favre 平均控制方程，以及 Peng - Robinson 气体状态方程。
  • 还给出了动态粘度、湍流粘度、湍流雷诺应力、分子热通量、湍流热通量、扩散系数等相关物理量的计算公式。

• 湍流模型
  • 采用两方程剪切应力输运（SST）湍流模型，该模型通过一个混合函数将标准的和湍流模型相结合。
  • 给出了湍流动能输运方程和湍流耗散率输运方程，以及平均分子粘性应力张量、湍流粘度、混合函数等相关量的计算公式，并明确了模型的常数取值。

燃烧模型

• 使用 EDC 燃烧模型结合一步有限速率反应来解决湍流燃烧问题。该模型假设化学反应发生在分子混合和湍流动能耗散的精细结构区域，采用详细化学方法计算该区域，并假设其为完全搅拌反应器。
• 给出了物种的反应速率公式，反应系数采用 Arrhenius 表达式，同时给出了燃烧源项、反应速率与质量流和质量分数的关系，以及质量转移的时间尺度和湍流长度尺度等相关公式

• • 求解程序
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    • 采用基于密度的显式求解算法，先显式求解质量守恒方程计算密度，再用预测 - 校正方法求解动量、组分和能量方程。
    • 对控制方程的时间和空间项分别采用一阶欧拉隐式和二阶中心迎风格式离散，通量插值采用二阶半离散中心格式，化学动力学采用时间分裂方法求解，采用 Rosenbrock - 43 方法积分反应动力学相关的常微分方程，通过修改中点技术和 Aitken - Neville 算法确定新的浓度值，进而更新热力学性质并计算源项。
    • 数值条件
      • 模拟了氢罐在地面以上不同高度（m 以及m 且）的爆炸情况，初始条件基于 Weyandt 的实验。
      • 计算域尺寸为m×m×m，氢罐位于计算域中心，进行网格收敛性研究，确定合适的网格大小为cm 和cm，设置非反射出口边界和绝热无滑移壁面边界条件，压力传感器位于地面以上m 的轴向和径向方向，使用消息传递接口并行计算和 140 核集群机器进行模拟，模拟ms 爆炸所需的计算时间约为h。

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        图1 高压氢气罐高度和位置。

表1：计算的初始条件。

3. 结果与讨论

• 数值方法的预测性能
  • 通过对 Weyandt 的实验进行数值模拟验证，比较了数值预测和实验测量的径向和轴向最大超压。结果表明该数值方法能准确捕捉爆炸动力学，如入射压力、反射压力和马赫杆等现象，整体最大超压趋势呈指数衰减，在一定距离上与实验测量的最大超压吻合较好，但在m 处受氢罐位置影响存在超预测情况，因为在该实验中氢罐爆炸时底部失效且初始角度估计为，并非水平。

高压氢罐爆炸的高度影响

• 压力分布
  • 不同爆炸场景下的压力分布二维等值线显示，爆炸高度影响超压大小和传播速度。在径向方向，m 时，反射压力波（RPW）立即与入射压力波（IPW）合并形成单一压力波，水平方向压力传播更强更快；随着爆炸高度增加，水平方向传播的超压大小减小，反射压力强度降低。在轴向方向，超压传播相对较弱较慢，这是由于罐的几何形状导致径向方向的高压表面积比轴向方向更显著。m 且的爆炸场景在较远距离处超压更强，且在轴向方向由于其位置导致压力传播不对称。

     

    表2：网格收敛性试验结果。

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• 最大超压
  • 不同爆炸场景的最大超压在径向和轴向方向均呈指数衰减，m 时反射压力较大，因为靠近地面时反射压力波强度增加。m 且的最大超压在较远距离处衰减更慢且更强，在距离氢罐m 处，不同爆炸高度场景的最大超压差异在径向和轴向方向均不显著。
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    • 瞬态超压
      • 不同爆炸高度的瞬态超压预测与实验对比表明，m 以及m 且在m 处因反射压力波出现单峰，m 和m 出现双峰。随着爆炸高度降低，最大超压增加，靠近地面时超压衰减趋势减缓，随着爆炸高度增加，超压增加趋势在较短到达时间内趋于平缓。m 且的结果较为合理，但最大超压出现时间略早于实验。在m（径向）和m（轴向）以及m（径向）处，数值预测与实验结果有相似趋势，m 且在较远距离处预测的最大超压较高且与实验吻合较好。

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• 温度分布
  • 爆炸产生的压力波使周围气体温度升高，氢气因马赫杆现象导致的压缩效应在靠近地面处自动点火，主要在径向方向观察到氢气的初始自动点火。在轴向方向，m 且也观察到氢气点火。在爆炸中心，温度因气体膨胀而迅速降低。通过分析分布，证实高温区域为火焰区域，且所有爆炸场景中，高温区域后的燃烧是氢气 - 空气燃烧。

氢气分布

• 在径向方向，m 时氢气分布更广，随着罐高增加，氢气主要向上分散；在轴向方向，m 且的氢气分散面积较大，各场景的氢气分散形状不同，但最大分散宽度在m 半径内。在理想环境下，氢气分散导致的热危害局限在离爆炸点几米范围内

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对人类的爆炸危害

• 通过分析最大超压和冲量与人类损伤阈值的关系，结果表明在径向方向危害更严重，m 在近距离危害最大，m 且在较远距离危害增加。在轴向方向，m 且从m 到m 危害较大。根据损伤阈值标准，爆炸m 内可能导致人员死亡，m 内可能导致重伤，m 及以外可能导致轻伤，但该分析未考虑传播的罐碎片或热效应造成的伤害

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4. 研究结论

• 数值方法对高压氢罐爆炸的预测性能合理准确。
• 氢罐爆炸高度和位置显著影响爆炸超压强度，反射压力强度随爆炸高度接近地面而增加，不同爆炸场景的最大超压差异在距离氢罐中心至少m 后变得不显著。
• 径向方向的超压波传播更快，m 且的爆炸场景更能准确再现实验情况，表明氢罐爆炸前的初始位置对准确再现实际爆炸至关重要。
• 靠近地面的氢气因马赫杆现象自动点火，主要在径向方向，燃烧波显著增加爆炸超压强度，需进一步研究其相互作用。
• 氢气分布在接近地面时变宽，但因浮力作用主要向上，热危害局限在几米范围内，倾斜的氢罐（如m，）比水平放置的氢罐爆炸潜在危害和伤害更大。

原文始发于微信公众号（气瓶设计的小工程师）：高压储氢罐爆炸的计算研究