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原文传递高压欠膨胀氢气泄漏与扩散模型及试验研究

论文题名：	高压欠膨胀氢气泄漏与扩散模型及试验研究
关键词：	氢燃料电池汽车;高压氢气;泄漏机理;扩散规律;流场特性
摘要：	氢是一种清洁、高效的可再生能源，氢气作为氢燃料电池汽车的主要燃料有较高的转化效率，与传统化石燃料汽车相比氢燃料电池汽车在减少碳排放方面具有显著优势。然而，氢气的可燃性范围广（4%-75%vol）、最小点火能极低（0.017mJ），在高压储存及运输方面存在安全隐患。高压氢气泄漏多发生于高压输送管路的裂缝处，在泄漏点附近易发生燃烧或爆炸。高压氢气在泄漏口处形成高压欠膨胀射流，针对高压欠膨胀射流模型不够完善的问题，本文提出高压欠膨胀射流改进模型，研究高压氢气的泄漏机理和扩散规律，高压欠膨胀射流改进模型可预测高压氢气泄漏的流场特性，为解决氢安全问题提供参考。　　通用虚喷管模型适用于计算高压氢气泄漏，但只假设实际泄漏出口与虚拟泄漏出口处满足质量守恒方程，未考虑高压氢气与管路壁面的摩擦，因此，本文对虚喷管模型作出改进，在动量守恒方程中加入气流壁面摩擦损失项。基于积分模型和改进的虚喷管模型，提出高压欠膨胀射流的理论模型。高压欠膨胀射流模型可计算氢气浓度场，得到氢气射流的分布范围；对高压氢气泄漏沿射流中心线的特性曲线分析，得到氢气沿射流中心线的浓度及速度符合双曲线衰减规律；对高压欠膨胀氢气射流在不同截面上的径向浓度分布进行研究，得到射流的径向浓度分布符合高斯分布规律。　　基于流体力学的基本控制方程及数值模型，分别采用低压积分泄漏模型、高压欠膨胀射流模型及简化两区域模型三种方法进行数值模拟研究。其中，前两者的入口条件设置为纯氢气流，依据激波中马赫盘边界处的气流参数，简化两区域模型设置了两个入口，即核心区为纯氢气流，边界层区为氢气-空气混合气流。比较三种模拟方法，其中低压积分泄漏模型可模拟低压气流喷射场，计算简单但难以模拟高压氢气射流场；高压泄漏可模拟高压氢气射流在喷嘴出口处的激波结构，对网格质量有较高的要求；而简化两区域模型建模所需网格数量为高压泄漏模拟的一半，计算简便。简化两区域模型可模拟出实际氢气射流中核心区与边界层分区流动情况，符合高压氢气射流的实际工况。　　为验证简化两区域模型等效入口条件设置的准确性，用气体红外热成像技术可视化方法研究氢气泄漏与扩散规律，通过氢气射流团冲击高温水汽云团，比较水汽云团的初始状态及被喷射状态即可确定氢气射流形成的边界轮廓。对比可视化试验结果与简化两区域模型等效入口的激波结构，两者边界层良好吻合对两区域模型的准确性进行验证。　　为验证高压欠膨胀射流模型的可靠性，搭建泄漏试验平台，利用气体热式质量流量计、气压传感器监测气体速度和压力，考虑试验安全本试验用氦气替代氢气完成泄漏试验，采用氦气浓度传感器测量气体浓度。试验研究不同压力的高压欠膨胀氢气扩散规律，监测距喷嘴10cm处氦气初始扩散浓度随时间变化规律，在低压泄漏及简化两区域模型流场在同一位置设置氢气浓度监测点，对比得到两区域模型的结果与试验结果吻合良好，而低压泄漏模拟计算的值偏低，简化两区域模型计算结果准确。待泄漏罐内压力稳定后，试验测得不同压力下的高压欠膨胀射流规律，氦气的浓度测量结果表明射流沿轴向的摩尔分数衰减符合双曲线衰减规律。通过高压欠膨胀射流模型模拟氢气沿射流中心线浓度分布结果与试验数据的比较，验证本文提出的高压欠膨胀射流模型的可靠性，可准确计算气体沿水平射流中心线的浓度。　　本文在山西省重大科技专项项目“中型氢燃料载货车平台整车防燃防爆安全防护技术”（No.20181102006）的支持下，对高压氢气泄漏与扩散进行理论与试验研究，提出的高压欠膨胀氢气射流改进模型可计算射流中心线特性，进行试验验证所建模型的可靠性，研究成果对预测氢气泄漏的流场特性有参考意义，为工程中解决氢安全问题奠定理论基础。
作者：	项玉霞
专业：	车辆工程
导师：	武志斐;王永红
授予学位：	硕士
授予学位单位：	太原理工大学
学位年度：	2021