高压氢气喷射火焰在密闭空间内从扩散状态向受限状态转变的驱动力

《International Journal of Hydrogen Energy》：Momentum to confinement transition in high-pressure hydrogen jet flames in a confined compartment

　　丁然 张 | 格生 李 | 毛强 蒋 | 钟华 武汉理工大学三亚科学与教育创新园，三亚，572025，中国海南省 **摘要** 高压氢气泄漏可能会产生喷射火焰，这在封闭空间内构成严重的安全隐患，而天花板与侧壁约束对火焰行为和墙体热响应的综合影响仍知之甚少。本研究通过数值模拟，研究了在静止压力（0.8～70MPa）和喷嘴直径（0.5～2mm）条件下，高压氢气喷射火焰在天花板-侧壁双重约束下的行为。研究识别出三种火焰模式：自由喷射、侧壁喷射和天花板喷射。在前两种喷射模式下，无量纲总火焰长度（Lf,c?）随着无量纲距离（X?）的增加而减小，而无量纲侧壁温度升高（Ts?）则增加。然而在天花板喷射模式下，Lf,c?随X?增加而增加，而Ts?几乎保持不变。最终建立了火焰长度和无量纲最大侧壁温度升高的预测模型。这些结果为封闭空间内氢气系统的危险评估和安全设计提供了依据。 **引言** 高压气体氢由于其高能量密度和成熟的技术应用，已成为最广泛采用的能源。然而，氢气在高压泄漏时容易形成易燃的喷射流。在封闭或半封闭空间中，氢气泄漏会显著增加燃烧和爆炸的风险[1]。氢气泄漏火灾的核心物理过程基于喷射流与燃烧的耦合行为，主要表现为高压氢气喷射火焰。目前，关于氢气喷射火焰特性的研究主要集中在开放空间中的自由喷射火焰。Schefer等人[2]发现火焰长度与总质量流量和喷嘴直径呈正相关。Mogi等人[3]提出火焰尺寸与喷嘴直径和压力成正比。随后，Li等人[4]指出泄漏孔径与火焰长度和峰值辐射呈正相关，轴向温度随孔径增大而升高。然而，火焰行为常常受到空间边界约束的影响[5],[6],[7],[8]。Zhang等人[6]指出增加墙体高度会导致火焰偏转角度增大，从而扩大垂直传播范围。Gong等人[7]发现减少喷嘴与墙体之间的距离会显著增加火焰在水平方向上的宽度。Li等人[8]进一步指出最大墙体温度受到倾斜角度、喷嘴直径和静止压力的共同影响。随着研究的深入，越来越多的关注集中在双重约束环境下的火焰行为上，特别是侧壁-天花板耦合效应[9],[10],[11],[12]。Liu等人[9]发现天花板约束使火焰传播过程经历四个阶段：横向扩展、纵向扩展、U形结构形成和蜂窝状火焰阶段。Gao等人[10]研究了隧道结构中的丙烷喷射火焰（5.67–85.1 kW），发现隧道的横向约束比纵向约束更强。Gong等人[11]观察到在较低压力和较小孔径下火焰仍处于自由喷射阶段，但在较高压力下会转变为侧壁喷射阶段。尽管上述研究提高了对封闭空间喷射火焰的理解，但大多数研究仍集中在单壁或简化的边界条件上。在封闭空间内，火焰同时受到侧壁和天花板的双重约束。目前，针对这种双重约束条件的系统研究仍然较少。 由于高压氢气泄漏实验存在重大的安全风险和技术挑战，数值模拟已成为研究氢气泄漏和燃烧特性的有效且安全的方法。然而，高压氢气喷射的数值模拟极具挑战性，主要是因为当压力超过0.19的临界压力比时，泄漏流会在喷嘴附近形成复杂的冲击波结构[13]。为了解决这个问题，研究人员通常采用简化方法——假想喷嘴模型——来降低计算复杂性[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20]。许多研究[21],[22]表明假想喷嘴模型可以有效描述高压条件下的喷射火焰整体行为。然而，现有研究[21],[22],[23]忽略了实际泄漏孔径与假想喷嘴出口之间的距离。这种简化在开放空间中影响较小，但在封闭空间（如舱室）中，这一距离直接影响初始冲击强度和墙体冲击位置。尽管以往的研究报道了特定几何形状下的火焰冲击、墙体加热和天花板约束下的火焰发展，但大多数研究集中在开放环境、单壁相互作用或简化的隧道状配置上。目前仍缺乏一个能够同时关联火焰模式转换和侧壁-天花板约束下墙体热响应的定量框架。本研究旨在建立封闭空间高压氢气喷射火焰的统一无量纲描述和预测模型。我们的主要目标是揭示从动量主导到约束控制的转变机制，并开发适用于封闭舱室环境的无量纲火焰长度和墙体温度预测模型。研究内容如下：第2节介绍控制方程和模型；第3节描述问题陈述、数值验证和网格独立性验证；第4节分析火焰长度和侧壁温度的特性，并提出相应的预测模型；第5节提供结论。 **部分内容摘录** **控制方程和数值模型** 本节介绍了本研究中采用的理论和数值框架。控制方程（第2.1节）描述了质量、动量、能量和物种传输的守恒规律，为模拟氢气喷射火焰行为提供了基础。这些方程与适当的物理子模型（第2.2节）相结合，包括湍流-燃烧相互作用和辐射传热模型，以捕捉高压氢气的多物理特性。 **问题陈述** 计算域被定义为一个长6米、宽2米、高2米的立方体，如图2(a)所示。坐标系的原点设置在地板中心。为简化问题并便于分析，假设氢气泄漏孔位于距侧壁1米处，泄漏高度为1米。泄漏孔位于计算域的几何中心。