孫坤龍，張艷軍，孟明明，余成爽，王瑜，何渝泉

（江蘇拓米洛環(huán)境試驗設(shè)備有限公司，江蘇 昆山 215300）

隨著社會的發(fā)展，氫能因其來源多樣、熱值高、無毒無污染等優(yōu)點，是推動可再生能源規(guī)?；l(fā)展的理想載體。但氫氣同樣具有擴(kuò)散系數(shù)大、爆炸范圍寬、點火溫度低等特點，因此，在發(fā)生泄漏后容易產(chǎn)生燃爆事故。

為研究氫氣的燃爆特點及其破壞效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。伍東等人運用物理爆炸、化學(xué)爆炸和噴射火模型研究了氫氣儲罐發(fā)生泄漏后的火災(zāi)爆炸危險性，研究發(fā)現(xiàn)，噴射火的破壞效應(yīng)較小，物理爆炸和化學(xué)爆炸的破壞效應(yīng)較大。Mogi等人研究了高壓氫氣泄漏時的自燃和爆炸現(xiàn)象，研究表明，當(dāng)泄漏管道較短時，氫射流不易被點燃，隨著管道長度的增加，氫氣發(fā)生自燃的傾向逐漸增加。李靜媛等人通過FLACS軟件模擬了加氫站高壓氫氣泄漏爆炸的全過程，研究發(fā)現(xiàn)，隨著障礙區(qū)擁堵程度和風(fēng)速的增加，氫氣的爆炸強(qiáng)度顯著提高。任家帆等人針對氫氣在不同濃度下的燃爆過程，利用20L球進(jìn)行了實驗研究，并通過數(shù)值模擬進(jìn)行計算，得到了氫氣燃爆特性參數(shù)。Blanchard等人對管道中點火位置與氫氣爆炸爆燃距離的關(guān)系進(jìn)行了實驗和分析，并找到了爆燃轉(zhuǎn)爆轟達(dá)到最短距離時的點火位置。

本文先通過ANSYS FLUENT軟件計算特定工況下（氫氣體積分?jǐn)?shù)15%）1m3帶泄放的環(huán)境艙內(nèi)氫氣燃爆特性，獲得其內(nèi)壁面的壓力時程曲線；而后與Workbenchexplicit dynamic模塊進(jìn)行耦合計算，獲得該工況下環(huán)境艙的變形情況，為氫氣爆炸的安全防護(hù)提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格

采用三維建模軟件CATIA建立1m3環(huán)境艙結(jié)構(gòu)模型，分別通過ICEM和MESH網(wǎng)格工具對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為確保計算的準(zhǔn)確性，建模過程盡可能保留了實際模型的真實結(jié)構(gòu)。兩部分的網(wǎng)格劃分如圖1所示。圖2流體力學(xué)網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對環(huán)境艙內(nèi)部空間的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)為37萬，網(wǎng)格經(jīng)優(yōu)化后質(zhì)量優(yōu)異，完全滿足計算要求。

圖1 顯式動力學(xué)網(wǎng)格

圖2 流體力學(xué)網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 流體力學(xué)計算控制方程

氫氣燃爆與泄放過程屬于典型的湍流過程，基于可壓縮Navier-Stokes方程組構(gòu)建氫氣燃爆過程仿真的數(shù)學(xué)模型，通過該模型可以計算得到氫氣燃爆過程的壓力曲線。模型中所包含的主要控制方程如下所示。

1.2.2 顯式動力學(xué)計算控制方程

環(huán)境艙的形變過程主要運用Lagrange的增量格式來描述物質(zhì)的運動過程，通過計算可以得到氫氣燃爆沖擊波載荷作用下艙體的變形過程。其動力學(xué)基本控制表達(dá)式如下。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 流體力學(xué)結(jié)果分析

為獲得顯式動力學(xué)計算所需要的壓力載荷，通過FLUENT對帶泄放的1m3環(huán)境艙進(jìn)行氫氣體積分?jǐn)?shù)15%濃度的燃爆分析，并監(jiān)測環(huán)境艙內(nèi)部的平均壓力作為環(huán)境艙顯式動力學(xué)計算的壓力載荷，其平均圧力時程曲線如圖3所示。

圖3 環(huán)境艙內(nèi)壁面平均圧力曲線

2.2 顯式動力學(xué)結(jié)果分析

根據(jù)上述氫氣泄漏燃爆沖擊波超壓計算結(jié)果，提取爆炸載荷并以隨時間變化的壓力形式作用在環(huán)境艙內(nèi)箱體表面。氫氣泄漏燃爆事故發(fā)生后，環(huán)境艙內(nèi)外鈑金箱體結(jié)構(gòu)變形如圖4所示。載荷施加位置為如圖5所示的艙體內(nèi)表面。

圖4 環(huán)境艙內(nèi)外鈑金箱體結(jié)構(gòu)變形云圖

圖5 爆炸載荷施加示意圖

由圖3可以看出，隨著爆炸的發(fā)生，環(huán)境艙受到?jīng)_擊載荷的作用由內(nèi)向外鼓脹，約在14ms時環(huán)境艙內(nèi)外鈑金瞬時變形達(dá)到最大值141.5mm。仿真結(jié)果表明，環(huán)境艙艙體結(jié)構(gòu)能夠承受15%濃度氫氣泄漏燃爆事故的沖擊載荷作用。

3 結(jié)語

通過流體力學(xué)和顯式動力學(xué)耦合，計算了1m3帶泄放環(huán)境艙內(nèi)氫氣濃度為15%體積分?jǐn)?shù)燃爆時的變形過程，獲得研究結(jié)論如下：（1）發(fā)生15%濃度氫氣燃爆事故時，環(huán)境艙結(jié)構(gòu)的最大瞬時變形發(fā)生在14ms時刻，最大形變量為141.5mm，且隨著壓力載荷的降低將回復(fù)彈性變形部分。（2）在整個氫氣燃爆過程中，環(huán)境艙的主要承壓結(jié)構(gòu)（內(nèi)外鈑金箱體）沒有發(fā)生斷裂失效，可以對以上情況的氫氣燃爆事故提供安全防護(hù)。