低温氢气排放过程数值模拟

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1、第39卷第4期2013年8月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．39，No．4Aug．2013低温氢气排放过程数值模拟李茂，孙万民，刘瑞敏(北京航天试验技术研究所，北京100074)摘要：以低温氢气安全排放为目的，采用数值模拟方法对低温氢气直接排放和燃烧排放的流场进行分析。流场仿真计算采用了标准双方程k-s湍流模型和氢氧单步燃烧模型。研究参数包括氢排放压力、流量、温度和环境风速，评价指标为氢扩散范围和燃烧范围。计算结果表明：燃烧排放燃烧范围小于直接排放氢扩散范围；排放压力增加、流量增大和温度降低均会使氢扩散范围和燃烧范围变大。关键词：低温氢气；扩散范

2、围；燃烧模型；数值模拟中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2013104—0074—06NumericalsimulationofcryogenicgaseoushydrogenemissionLIMao，SUNWan-rnin，LIURui-min(BeijingInstituteofAerospaceTestingTechnology，Beijing100074，China)Abstract：Thecryogenicemissionandburningemissionofcryogenicgaseoushydrogenwerein—vesti

3、gatednumericallyforsafeemission．Thestandardk-sturbulencemodelandtheuni—stepH-Ore—actionmodelwasusedinthesimulationcalculationtogetthegaseoushydrogenemissionpressure，massflowrate，temperature，environmentwindspeed，aswellashydrogendiffuseareaandburningareaastheevaluationindex．Thecalculatedresults

4、showthatthebumirfgareabyburningemissionissmallerthanthediffuseareabycryogenicemission，andincreaseofemissionpressure，amplificationofmassflowrateandreductionoftemperatm-ecanleadtothewidediffuseareaandburningareaofgaseoushydrogen．Keywords：cryogenicgaseoushydrogen；diffusearea；combustionmodel；nume

5、ricalsimulation0引言氢氧火箭发动机试验中的加注、预冷、紧急关机以及试验后贮箱放气泄压阶段，液氢贮箱将排放出大量低温氢气。低温氢气直接排人大气后迅速扩散，同时冷凝空气中水蒸气形成氢气云团，遇到碰撞、静电或者微弱的火星均有可能引起爆收稿日期：2012—02—05；修回日期：2013—04—1l基金项目：中国航天科技集团公司支撑项目(2011JY03)作者简介：李茂(1983一)，男，博士，研究领域为液体火箭发动机试验技术第39卷第4期李茂，等：低温氢气排放过程数值模拟75燃爆轰，对周边人员、试验设备和建筑设施的安全构成严重威胁【I-31。在氢氧发动机及相关设备试验时，

6、曾发生多起氢气排放引起的安全事故14-51，因此，氢排放研究对氢的安全使用意义重大。在航天技术发展推动下，氢氧火箭发动机推力级别逐步提高，试验中氢排放量随之增加，试验台氢安全排放问题尤为突出。目前，研究者对氢气泄漏与扩散研究较多，数值模拟分析应用也较广【¨01，在大流量氢排放方面研究则较少，国内张起源、吴光中等对氢氧火箭发动机大流量氢气排放进行了相关的研究，取得了一些研究成果【3_ll】。本文采用数值模拟方法对低温氢气直接排放和燃烧排放进行对比研究，研究参数包括排放压力、流量、氢气温度和风速，评价指标为直接排放氢扩散范围和燃烧排放燃烧范围，揭示直接排放和燃烧排放的联系和区别，为大

7、推力氢氧发动机试验台大流量氢安全排放和试验台安全性设计提供参考。1数值仿真模型及方法本文研究中，假设低温氢气通过直管排人大气，无喷注装置，无氮气掺混，不考虑空气中水汽冷凝。排放模式分为直接排放和燃烧排放。1．1控制方程1．1．1控制方程直接排放和燃烧排放的计算控制方程都采用Navier—Stocks方程，质量、动量和能量基本控制方程的统一形式为：掣+v．(∥中)：v．(FV4))+sa￡式中：从左到右依次代表瞬态项、对流项、扩散项和源项。其中，中表示物理量；F表示对应于中扩散系统