光面式高压氢气泄漏快速可视化检测方法及数值仿真研究

针对高压氢泄漏扩散的检测问题,国内外学者利用实验和数值模拟等方法进行了相关研究,提出了一些检测方法,这些检测方法结果可靠,但是普遍存在反映速度慢的不足。本文提出了一种光面式高压氢气泄漏快速可视化检测方法,利用半导体激光器发射激光,通过柱面透镜组及反射镜后形成光面（laser sheet）照射储氢罐,利用安装在储氢罐上方特定位置的CCD相机拍照采集图像并传输至计算机,经数字图像处理后对高压氢气泄漏情况进行鉴别。基于该方法开展仿真实验,建立高压氢气射流的分层流动模型,实验结果与前人研究的实验公式吻合,证明了该方法的可行性;开展了泄漏口直径为1 mm 时3,5,7 MPa压强的仿真实验,以及压强为5 MPa时泄漏口直径为0.5,1,1.5 mm的仿真实验,获得了高压氢气泄漏口直径与特定高度、气射流边界层直径的解析关系,以及高压氢气压力与射流边界层直径的解析关系,为实现高压氢气泄漏快速准确检测提供了有力支撑。     

氢泄漏稳定扩散场数值模拟与回归建模研究

研究了室外无风环境下高压储氢容器泄漏稳定扩散问题。首先应用组分传输模型以及计算流体力学软件FULENT的Realizable湍动能-耗散率(k-ε)模型对泄漏扩散过程进行模拟和数值仿真,得出了泄漏口附近稳定扩散对称面氢气浓度分布图。在此基础上,对仿真获得的扩散浓度数据,采用依次针对射流方向和射流垂直方向进行回归分析的方法,建立了10MPa压力储氢容器漏孔直径为1mm时泄漏稳定扩散场的参数模型。结果表明,数值模拟计算与理论预测的流场基本吻合,而稳定扩散场的参数模型反映了数值仿真结果,并具有一定的推广能力。     

液氢泄漏扩散数值模拟研究

通过ALOHA软件进行了不同风速、环境温度、泄漏量扩散模拟,分析了不同风速、温度、泄漏量条件下的扩散规律。结果表明,泄漏扩散距离随着风速的增大而变小,风速越大,泄漏扩散范围越小;泄漏扩散距离随着环境温度的升高而变大,温度越高,泄漏扩散范围越大;泄漏扩散距离随着泄漏量的增加而变大,泄漏量越大,泄漏扩散范围越大。将液氢蒸发和氢气扩散试验的体积分数数据与ALOHA软件模拟数据进行对比,结果表明:ALOHA软件对氢的体积分数值模拟结果具有良好的精度,在液氢泄漏事故应急中具实用性。     

火箭发射场液氢泄漏扩散特征CFD模拟分析

通过CFD软件并结合自定义函数(UDF)功能对不同工况下的液氢泄漏扩散过程进行模拟并进行分析,不同的泄漏压力、泄漏孔位置、外部来流风向对液氢泄漏扩散具有重要的影响。分析数值模拟结果表明:随着压力的增加,液氢低温危害区以及氢气可燃区面积增大;泄漏口距离地面越近,整个氢气浓度分布的可燃区面积增大;上部吹风有利于氢气的稀释进而减少泄漏危害性。     

围堰对液氢泛溢过程影响的数值研究

建立了开放空间中液氢泛溢过程的物理模型和三维非稳态CFD数值计算模型,并评估了不同湍流模型对数值计算结果的影响。与Standard k-ε模型相比,采用Realizable k-ε模型和RNG k-ε模型得到的计算结果与实验结果吻合的更好。在此基础上,选取Realizable k-ε模型对带围堰和不带围堰时液氢泛溢进行数值模拟,分析了泄漏源附近的围堰对可燃氢气云团扩散的影响。结果表明:围堰的存在会改变氢气浓度的空间分布和云团形状,促进可燃氢气云与地面分离,增大泄漏源附近区域氢气浓度;围堰对液氢泛溢过程的影响是通过改变泄漏源附近风场引起的。     

不同低温推进剂的泄漏扩散特性及安全性分析

针对航天推进剂在实际生产应用中可能因泄漏导致的安全性问题,运用数值模拟分析了低温液态工质泄漏后的传热传质过程,考虑气液相间速度滑移和体积力的影响,对比研究了流量为0.07 kg/s的情况下泄放100 s的过程中,液氢/液态甲烷/液氧的扩散形态变化及其危害范围。结果表明,泄漏10 s左右时,扩散至平衡状态,云团形态基本维持不变;100 s停止泄放后,云团不断收缩变小,氢气、甲烷和氧气4%体积浓度的云团消失时间分别为107 s、104 s和107 s。在扩散远场,氢气向上浮羽角度为18°,远大于甲烷的6°,而氧气始终在近地表扩散。氢气的燃爆伤害远远高于甲烷,燃爆体积分别为74.74 m~3和0.53 m~3;氢气的低温伤害体积最大,为2.33 m~3,而氧气对地表的低温伤害范围最广,为3.64 m~2。     

加氢站高压低温氢气泄漏扩散数值研究

为了明确加氢站发生高压氢气泄漏后形成可燃区域的分布特性,进行了某加氢站中的35 MPa和70 MPa加氢机发生泄漏事故的数值模拟。研究了泄漏孔径和氢气预冷温度对稳态可燃区域分布形态和体积的影响。计算结果表明,70 MPa加氢机泄漏形成的可燃区域体积约为35 MPa加氢机的两倍。泄漏孔尺寸对可燃区域体积有非常显著的影响。随着预冷温度的降低,射流边界层的气流速度降低,氢气质量分数增大,且后者对稳态可燃区域体积的影响更大,尤其在发生中孔泄漏时,随着氢气预冷温度从300 K降低至240 K,35 MPa加氢机泄漏形成的可燃区域体积从5 590 m³增加到16 835 m³,增长率为201.16%,同时可燃区域的形态从“平面”转换到“羽状”。     

氨制冷机房氨气泄漏扩散的数值模拟

本文选取氨制冷机房作为典型场景,应用计算流体力学方法研究氨气泄漏扩散规律,采用Fluent软件对无通风及上下通风情况下的制冷机房氨气泄漏扩散进行了数值模拟。分析了氨气泄漏后不同时刻制冷机房纵剖面和横截面氨气浓度分布,研究了不同泄漏量下氨气浓度随高度变化的特征,提出了氨气报警器偏上安装的建议。对比上进风下排风和下进风上排风两种应急排风方案泄漏扩散的数值模拟结果,提出了应急排风进风口偏下设置的建议。     

重气泄漏扩散过程数值模拟

为研究重气泄漏扩散特性,采用多相流计算流体力学(CFD)模型对Burro现场试验进行了模拟。通过模拟结果与试验数据的对比完成了模型的验证,随后基于模拟结果分析了重气泄漏扩散行为特点,结果表明重气扩散行为主要沿地表进行,大气风虽然能够一定程度上抑制其上风向与展向扩散,但是在浓度差与重力下沉现象的作用下,重气云团仍然能够在上风向、展向扩散相当远的距离。最后,对重气云危险域在各个方向上到达的最远距离进行了对比分析,并对其变化机理进行了分析。     

多功能全多层高压氢气储罐

高压储氢具有储罐结构简单、压缩氢气制备的能耗较少、充装速度快等优点，已成为现阶段氢能储运的主要方式。氢气储罐是高压储氢的关键设备。目前，加氢站使用的高强钢制无缝压缩氢气储罐，由于结构上的原因，存在无抑爆抗爆功能、在线健康状态诊断困难、大容量时泄漏点多等缺点。为此，本文提出了一种多功能全多层高压氢气储罐。它由双层半球形封头、接管、加强箍、绕带筒体和健康诊断系统组成，具有承压、抑爆抗爆、缺陷分散、健康状态在线诊断等多种功能。该储罐结构合理、制造经济简便、使用安全，具有广阔的应用前景。     

放射性物质在大气中输运的方法分析及算例计算

对放射性物质在大气中的输运与扩散的过程进行了研究，并介绍了开发的RA—TRANS程序包。对其中的地形地貌、三维风场、拟合风场、粒子在大气中的扩散、数据后处理等模块进行深入的研究，模拟了其物理过程。模拟某地区发生放射性物质泄漏，其后三天周围1000公里范围内放射性污染源在大气中的输运过程，及计算周围放射性核素监测台站对其测量结果的评估。     

载气对化学气相沉积中气体流场、反应物与热解炭沉积率影响的仿真研究（英文）

为了研究载气对化学气相沉积过程的影响,采用二维仿真模型,模拟立式反应炉中化学气相沉积过程。并建立了全组分扩散模型描述化学气相沉积过程中气体分子间的扩散过程。研究了氢气,氮气和氩气对气体流场,反应物浓度场以及热解炭沉积率的影响。结果表明,氢气有利于提高气体流场的稳定性;氢气有利于反应物的扩散,以氢气作为载气时,沉积壁面CH_4,C_2H_2,C_2H_4和C_6H_6的浓度均匀性较好。采用氩气和氮气作为载气时,沉积率均高于氢气做载气的情况,但热解炭的沉积均匀性低于氢气做载气时的情况。仿真结果与实验吻合较好。     

纤维缠绕高压氢气瓶火烧温升试验及数值研究

纤维缠绕高压氢气瓶是氢燃料电池汽车储氢系统的关键设备。气瓶在使用中如果遭遇火灾意外,可能导致氢气泄漏、爆燃甚至爆轰等危险。为研究气瓶在火烧情况下的安全性能及内部气体的温升规律,进行了火烧试验研究,得到了气瓶外表面的温度场分布及内部气体的温升规律．结果表明内部气体的温升速率很小．且与外表面存在较大温差。然后以试验数据为基础建立3D数值模型。对火烧时气瓶内部气体的温升进行模拟,并对试验结果和模拟结果进行比较分析．表明所建立的模型能较为准确的模拟气瓶火烧试验时的内部温升,该模型为进一步研究气瓶火烧试验奠定了基础。     

非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性

建立了描述开敞空间低温氢气扩散行为的三维数值计算模型,综合考虑非恒定浮升效应和大气风场边界层分布,研究氢气与空气的混合对流行为,并分析了气云温度变化对扩散过程的影响。结果表明,低温氢气在开敞空间的扩散过程表现为强制对流主导、强制对流和自然对流共同作用以及自然对流主导3种形式;在混合对流机制支配下,气云内部温度分布不连续,■比值数和云团形状也呈现出一定的周期性特征;在持续泄漏条件下,云团最远距离和最大高度最终达到周期性稳定状态。     

基于有限差分方法的C/C复合材料CVI过程的数值模拟

碳/碳(C/C)复合材料CVI过程数值模拟采用简化的多步模型(Reduced multi-step),将气体流动和扩散、气相反应、表面反应等相结合,使用有限差分方法进行模拟.由于氢气对CVI过程有着很强的抑制作用,研究了甲烷加入氢气后作为前驱气体模拟的情况.在固定甲烷分压为20kPa的条件下,通过对氢气的分压(0kPa、0.4kPa、4kPa)的控制,计算得到沉积结束时预制体内部的密度分布,通过结果的对比验证有限差分方法在此过程中的有效性以及氢气对CVI过程的影响.     

地下水电站出线竖井中SF_6泄露扩散的数值模拟分析

地下水电站出线竖井的GIL电缆有SF_6重气泄漏的可能性,需要对竖井内的通风系统和气体扩散进行研究。分析SF_6重气泄漏扩散的原理和物理过程,应用CFD数值模拟方法,对竖井内的SF_6重气扩散规律进行研究与分析。分析格栅结构和不同泄漏量条件下,SF_6的浓度分布及扩散情况,为此类水电站通风系统设计提供借鉴与参考。     

液氨泄漏范围影响因素的研究

液氨是一种常见的化工原料,由于具有腐蚀性且易挥发,通常储存于耐压储罐中。以液氨泄漏后几种事故情况中的毒气扩散为研究重点,运用ALOHA软件对立式储罐的泄漏情况进行模拟,对泄漏点的孔径大小和高度这两个因素展开分析,分别改变泄漏点的孔径和高度,结合数据和效果图中泄漏范围变化的趋势,比较泄漏结果。分析结果表明,氨气扩散范围随着泄漏点孔径的增大而增大,在孔径达到一定值后保持不变,并随泄漏点距地面高度的上升而降低。     

基于数值模拟的方式研究氩气-氢气等离子体射流物理特性

对氩气-氢气等离子体射流采用基于流体动力学的基本方程进行数值模拟,探讨不同氢气含量对氩气-氢气等离子体射流的温度场与密度的影响,研究了氩气-氢气等离子体射流的特点并分析了氩气-氢气等离子体射流温度场变化的原因。结果表明:氢气含量的增加提高了等离子体射流的温度,降低了等离子体射流的密度;氩气-氢气等离子体射流在喷枪出口位置发生了流体的卷吸作用和射流的压缩效应;氩气-氢气等离子体射流主要以热扩散的形式进行扩散。     

特定生产现场纳米粉体泄漏扩散的数值模拟

运用计算流体动力学软件FLUENT对某厂生产厂房内纳米粉体泄漏扩散进行模拟,分析大气风速、射流方向对粉体泄漏的扩散浓度和危险性区域的影响。结果表明:大气主导风速对气体扩散浓度和危险性区域影响较大,射流方向和风速一致时,vx=-3 m/s比在vx=-1 m/s条件下危险性区域扩大4 m,分析得出vx=-2 m/s时,扩散区域在x=28～35 m,y=25～28 m,z=1～4 m内。采用三维激光多普勒测速技术,对生产现场100∶1缩微模型进行速度场测量,并将测量结果与数值模拟结果进行对比。结果表明:两者颗粒速度基本吻合,说明采用计算流体动力学技术对生产现场纳米粉体泄漏扩散行为的模拟是可行的。     

关于氢气气瓶安全性的讨论

介绍了国际标准ISO11120对盛装高压氢气钢瓶设计方面的有关规定，以及美国CPI公司在设计制造高压氢气钢瓶方面的经验，对设计及选用常温高压氢气钢瓶时应注意的问题进行了讨论。