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原文传递氢动力船舶受限空间内氢气泄漏扩散研究

论文题名：	氢动力船舶受限空间内氢气泄漏扩散研究
关键词：	氢动力船舶;受限空间;氢气泄漏;数值模拟
摘要：	近年来，世界范围内环境污染和化石能源枯竭问题日趋严重。航运是目前世界交通运输及货物贸易的重要组成部分，但现有船舶中的大多数仍以重油或柴油为推进燃料。据统计，在人类活动中，航运业产生了大量的空气污染物及温室气体。随着海上贸易往来的逐渐增多，未来航运排放量呈上升趋势。国际海事组织和各国政府已经意识到船舶排放对世界环境构成的严重威胁，并相继出台了多条限制船舶碳排放、污染物排放的规定和法规。因此，航运业的能源转型问题迫切且严峻，氢能以其清洁无污染、高能量密度、高能量转化效率等独特优势逐渐走入人们视野，成为船舶清洁替代能源的重要方案，各类型氢动力船舶近年来也相继面世。氢动力船舶作为未来氢能应用的一大场景，海上条件相对恶劣，且氢气具有易泄漏、易扩散、易燃烧、易爆炸的物化特性，均为氢能在船舶领域的使用带来了较大的安全隐患。　　本文针对船舶受限空间内氢气意外泄漏问题，展开一系列数值模拟研究，探究氢气扩散分布规律，为船舶受限空间内氢气的安全驱散提供理论依据。对船舶行业氢能源相关规范和标准的制定、氢能源在船舶的安全应用具有重要意义。　　以氢燃料电池为主推进动力的游艇为研究对象，以数值模拟仿真的方法对燃料电池舱室这一受限空间进行氢气泄漏模拟研究。在低泄漏量情况下，浮力效应主导氢气的扩散过程，呈现出浓差射流的流动状态，并遵循边界层原理，在舱室顶部呈现氢气浓度分层现象。随着泄漏量的增大，氢气在动量通量的主导下呈强迫羽流流动状态，较快地在整个受限空间内完成均匀分布，未形成浓度分层现象。　　氢气泄漏量较低时：仅改变泄漏孔位置，氢气云团的分布与泄漏孔位置呈现出空间上的同向性，但危险区域体积占比不受泄漏孔位置的影响；仅改变单自然通风口位置，处在左右对称位置处的自然通风口对于氢气的驱散效果相似，遵循物理结构的对称性规律，但自然通风口位置对于舱室内氢气危险体积占比的影响细微；自然通风口数量从一个逐渐增加至六个的过程中，通风效率显著提升，达到动态平衡所需时间不断缩短，浓度分层现象逐渐消失，危险区域云团体积占比持续降低，氢气驱散效果与通风口数量呈正相关性。　　氢气泄漏量较高时：仅以自然通风的方式无法满足船舶受限空间内氢气安全驱散的需求；单风机强制通风时，逐渐增大风机送风率，可使受限空间内氢气浓度明显下降，向内送风工况相比向外送风工况具有更好的驱散效果，但两种工作模式均无法实现氢气高泄漏量时的安全驱散；两风机强制通风时，可显著增强气体更替与循环，前置位风机向外排风，后置位风机向内送风的工作模式，更有利于增大受限半封闭舱室内的气体动量通量，实现较高泄流量氢气意外泄漏情况下的快速安全驱散；当两风机均布放在单侧时，风机距泄漏孔距离越远，驱散效果越好；当两风机分别布放在舱室左右两侧时，舱室内氢气摩尔分数波动性减弱，呈现出两风机布放位置距泄漏孔距离越近，氢气驱散效果越好的规律。
作者：	陈彪杰
专业：	轮机工程
导师：	杨国刚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022