基于Fluent的氢气输运管道泄漏扩散数值仿真研究*

贺朝 陈旭 童熙龙 胡晓峰 苑春苗

(东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110819)

0 引言

氢气作为一种新型能源，具有清洁低碳、制取方便、灵活高效和应用场景丰富等优点，可以广泛应用于交通、工业、核电和建筑等领域，全世界许多国家已经将氢能利用提升到国家战略层面[1]。氢气输运安全问题是氢能广泛应用必须解决的问题，当前氢气的输运方式主要有气态输运、液态输运和固态输运3种，气态输运根据运输工具不同又可分为长管拖车和管道输运两种。其中能耗最小、成本最低且适用于较远距离和大规模氢气输送的是管道输运[2]。氢气管道输运通常采用无缝钢管，因氢气具有“氢脆”和“氢腐蚀”的特性，且氢气输运管道工作环境具有高压和振动等复杂工况，高压氢气容易在管道法兰连接和阀门处发生泄漏，若通风情况不佳，则容易积聚发生爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失[3]。

国内外研究主要关注氢气泄漏引发自燃的过程及机理和喷、射火引发事故后果的对比，对氢气扩散后受环境因素的影响以及爆炸危险区的研究还比较缺乏。本文主要针对高压氢气输运管道在不同环境情况下发生氢气泄漏后，氢气在空间中的扩散情况。利用Fluent工具进行数值仿真，研究其在环境风速影响下的时空分布情况。结合ORIGIN软件分析危险区边界与泄漏时间关系，为氢气泄漏预警检测仪器安装提供指导性意见。

1 数值模拟

1.1 模型建立

本文利用SpaceClaim进行几何模型的建立。对于高压输运氢气的管道及其泄漏后的扩散空间做二维建模，考虑到氢气管道管径通常在304～914 mm，建立管道管径为400 mm的模型，为了尽可能模拟氢气泄漏后在不受空间限制的环境下扩散的真实情况，本文建立了一个长10 m、宽8 m的二维矩形作为高压氢气泄漏以后的扩散空间，其示意图如下图1。

图1 几何模型示意

1.2 网格划分

首先诊断导入的几何模型拓扑结构，确认其几何结构无误后，将几何边界分为“inlet-hydrogen”“inlet-wind”“outlet-right”“outlet-bottom”“wall”等part作为流场的入口、出口及边界；然后创建“2D surface blocking”，命名为“fluid”作为流场，将“fluid”划分为3大块，并对不同块的边界参数分别进行设置，在入口附近进行加密处理，使其能更详细捕捉入口附近流体的流动状况，见图2。

图2 泄漏点局部网格加密

1.3 控制方程

流体力学的控制方程是对有限大小的流体微团进行质量守恒、动量守恒和能量守恒定律的分析，并结合雷诺输运定理得出。流体流动要遵守守恒定律，满足流体基本控制方程，对于供氢管道氢气的泄漏，同样遵守如下控制方程[4]：

(1)连续性方程(质量守恒方程)：

(2)动量方程：

式中，p为静压，τij为应力张量，gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力，Fi包含其他模型相关源项。应力张量由下式给出：

(3)能量方程：

式中，cp为比热容，T为温度，k为流体的传热系数，ST为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

(4)组分输运方程。本文中，为了模拟氢气从管道泄漏扩散到大气中的多组分混合过程，采用组分输运模型，定义组分为hydrogen-air(氢气-空气)，因此还需遵守组分守恒定律。当氢气泄漏速率较大时，附加湍流输运模型。守恒方程采用以下的通用形式[5]：

1.4 边界条件的设置

选择Fluent的二维压力基求解器，读取划分好的网格文件，氢气泄漏口inlet-hydrogen处采用速度入口(Velocity-inlet)作为入口边界条件，将10、20 m/s分别作为入口速度；扩散区域上侧为进风口inlet-wind，同样采用速度入口，分别设定风速为0、1、2、3 m/s；扩散区域右侧outlet-right和下侧outlet-bottom均为压力出口(pressure-outlet)，外界为大气压，温度为300 K；扩散区域左侧边界(泄漏口两侧)设定为壁面，采用标准的壁面函数，无滑移，默认为wall。为使计算结果更加准确，将迭代步数设置为1 000步。

由于标准的k-epsilon模型在使用过程中具有稳定、经济、计算精度高等优点，在工业流场模拟中应用范围十分广泛[1]，通过求解湍流动能方程和湍流耗散率方程得出k和ε，再根据求解值计算湍流粘度，最终利用Boussinesq假设得到雷诺应力的解。在本文中，假定氢气扩散过程时为各向同性的均匀湍流，因此采用标准k-epsilon双方程模型，在fluent中将湍流模型设置为k-epsilon(2eqn)，其他保持默认设置。

2 结果及分析

2.1 进风速度影响

进风速度是影响氢气扩散的重要因素之一，在泄漏速度相同的条件下，考虑环境风风速分别为0、2、4 m/s，比较不同风速下氢气泄漏的速度分布云图，如下图3。

(a)风速为0时氢气泄漏速度分布全局云图及局部云图

(b)风速为2 m/s时氢气泄漏速度分布全局云图及局部云图

(c)风速为4 m/s时氢气泄漏速度分布全局云图及局部云图

通过对比不同风速下的氢气泄漏的速度分布云图，可以看出，氢气从泄漏口射出并同周围空气掺混，呈射流状态，并且速度梯度随着射程的增加而显著下降，氢气速度较大时，射流速度在扩散过程中起主导作用，风速对氢气速度的影响甚微；氢气的速度较小时，在整个扩散空间中，流体的流动将随着风速的增大而加快，加快氢气和空气的混合，促进氢气向周围扩散，使爆炸危险性提高。

由于射流氢气初始速度大，携带能量多，不断卷吸周围空气，根据动能守恒和动量守恒，被卷入的空气获得氢气提供的动能，随着射流一起向前运动。而氢气由于动能的减小而逐渐失去速度，在整个扩散区域形成速度梯度分布。在氢气运动的过程中，不断的卷吸和扩散导致射流面积不断扩大，在泄漏过程中，环境进风对氢气扩散的影响十分显著，不仅加快了氢气与空气的混合，而且不同的风速对氢气速度场分布影响不同，射流中心偏离水平方向且偏离方向与进风方向一致，速度场随之改变。在风速由0增至4m/s的过程中，风速越大，速度场偏离水平方向角度越大，射流中心越靠近进风口下侧边界。

2.2 泄漏口处氢气扩散规律

在泄漏速度和环境风速一致的前提下，以泄漏时间为变量，考虑泄漏时间分别为t=0.5 s、t=2 s、t=4 s，观察泄漏口附近氢气扩散情况。不同扩散时间氢气摩尔浓度分布图(风速为1 m/s)见图4。

(a)t=0.5 s时氢气摩尔浓度分布全局图(左图)及局部图(右图)

(b)t=2 s时(左图)和t=4 s时(右图)氢气摩尔浓度分布全局图

管道发生泄漏后，氢气和周围空气不断掺混，在发生泄漏的一小段时间内，受1 m/s的风速作用，氢气浓度主要分布在泄漏口及偏下区域，随着氢气的持续泄漏，空间内氢气覆盖比例随之增加，下风侧氢气浓度明显高于上风侧。

2.3 不同时刻爆炸危险区范围

本文利用Fluent软件的后处理器对不同泄漏时刻的氢气爆炸模拟结果进行后处理，结合图形可视化技术和ORIGIN软件，将不同时刻下氢气爆炸危险区与泄漏口水平最远距离绘制如下图5所示。

图5 氢气爆炸危险区与泄漏口水平最远距离随时间变化

观察图5可以明显发现，曲线整体呈上升趋势，随着泄漏时间的延长，氢气向空气中扩散加强，爆炸危险区距泄漏口水平最远距离明显增加，危险范围扩大。因此，供氢管道厂房内要合理安装气体浓度监测报警器，一旦发生泄漏，确保第一时间进行紧急处置，防止氢气进一步扩散，降低爆炸区域危险性，最大程度减少人员伤亡和财物损失。

3 结论

本文利用Fluent软件对供氢管道氢气泄漏扩散蔓延到大气进行模拟，通过对不同风速、不同泄漏速度条件下氢气质量分数分布、摩尔浓度分布进行详细分析，结合ORIGIN软件绘制一系列图表，得出以下结论：

(1)氢气从泄漏口处发生射流，受外界风的影响，氢气扩散区域向下风侧偏移，危险区域主要集中在泄漏口轴线下方；风速越大，垂直射流偏离角越大，射流在竖直方向的影响范围越大；距泄漏口越远，风速的影响越大。

(2)在风速相同的前提下，对比泄漏时间不同的氢气摩尔浓度分布可知，厂房内氢气含量随泄漏时间的延长而提高，在1m/s风速作用下，下风侧区域的扩散面积明显扩大，火灾爆炸危险指数提高，对于厂房内预警和应急处置系统，可参考模拟结果进行布置。

(3)通过爆炸危险区距泄漏口水平最远距离随泄漏时间变化折线图可以看出，随着泄漏时间的增加，氢气爆炸危险区边界扩大，危险性提高。氢气泄漏后的应急救援应将泄漏时间对泄漏范围的影响纳入考虑。