储氢系统意外氢气泄漏和扩散研究

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1、储氢系统意外氢气泄漏和扩散研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：李雪芳指导教师：柯道友教授清华大学二○一五年十一月DispersionofUnintendedSubsonicandSupersonicHydrogenReleasesfromHydrogenStorageSystemsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoc

2、torofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyLiXuefangDissertationSupervisor:ProfessorDavidM.ChristopherNovember,2015摘要摘要能源短缺和环境污染是当前世界范围内所面临的两个重大问题。作为一种清洁、可再生的二次能源，氢能被认为是未来最具有应用前景的替代能源之一。然而，在氢能的大规模商业化应用之前，必须充分研究氢气在生产、运输和储存等各个环节中的安全问题以增强决策者的信心和消

3、除公众的疑虑。研究氢气意外泄漏和泄漏后氢气在空气中的扩散，对于制定相关的安全规范和标准具有重要的意义。本文针对意外氢气泄漏问题展开了一系列实验、理论和数值模拟研究。搭建了平面激光瑞利散射（PLRS）实验系统以可视化地测量氢气泄漏射流的浓度场，同时还建立了使用微型热导计测量氦气浓度的氦气泄漏实验系统。实验研究了不同流量下的亚声速射流和不同实验条件下的高压欠膨胀射流。氢气和氦气的浓度测量结果都表明射流气体沿轴向的质量分数衰减符合双曲线衰减规律，而径向质量分数分布可以用高斯曲线来表示，同时也验证了射流气体浓度分布的自模性。建

4、立了透射式纹影实验系统，拍摄了高压欠膨胀氢气射流所产生的激波图像，并测量了马赫盘的位置、直径和边界层厚度等激波结构的特征尺寸。测量结果表明，上述激波结构的特征尺寸均与喷嘴直径和压力比的平方根成正比。以往用来计算低压泄漏的传统积分模型中所使用的经验系数都来自于早期的水和空气射流的实验数据，所以并不适于直接用来计算氢气射流。本文利用氢气泄漏浓度场的实验测量数据，重新确定了模型中的重要经验系数。在此基础上，结合适当的虚喷管模型和改进的积分模型，建立了计算高压欠膨胀氢气射流的理论模型。通过与实验结果的比较说明，本文的理论模型可

5、以准确地计算氢气射流的浓度场。最后对不同实验条件下的亚声速射流和高压欠膨胀射流进行了数值模拟研究。数值模拟的结果与实验结果一致，说明了数值模拟中所使用的计算网格和湍流模型等都是合理的。针对高压欠膨胀氢气射流模拟计算不稳定且需要耗费大量计算资源的问题，利用激波特征结构尺寸的测量数据并结合射流的质量、动量和能量守恒方程，建立了计算高压泄漏的两区域模型以简化数值模拟。使用简化模型的数值模拟在保证计算准确性的前提下，大大提高了计算效率。关键词：氢安全；氢气泄漏；高压欠膨胀射流；激波结构IAbstractAbstractEner

6、gyshortagesandenvironmentpollutionareamongthemostimportantproblemsworldwide.Asacleanandrenewableenergycarrier,hydrogenisexpectedtobeoneofthemostpromisingalternativesolutionstotheenergyandenvironmentalproblemsinthenearfuture.However,thesafetyissuesinhydrogenprodu

7、ction,transportandstoragehavetobethoroughlyaddressedbeforecommercializationofhydrogenenergytogiveauthoritiesconfidenceandtoeliminatethepublicfearofusinghydrogen.Accurateknowledgeofthedispersioncharacteristicsofunintendedhydrogenreleasesintheatmosphereisessential

8、todevelopinggoodstandardsandcodesforhydrogensafety.Thepaperpresentsaseriesofexperimental,theoreticalandnumericalstudiesofunintendedhydrogenreleases.AplanarlaserRaylei