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原文传递燃料电池船舶氢气泄漏的数值模拟研究

论文题名：	燃料电池船舶氢气泄漏的数值模拟研究
关键词：	燃料电池船舶;氢气泄漏扩散;数值模拟;氢气射流
摘要：	航运业的污染排放引起世界各国广泛关注，日趋严格的限排法规使航运业面临着极大的排放压力，各航运大国都将绿色航运发展和船舶新能源技术研究作为战略发展方向。随着“碳达峰、碳中和”宏观目标的提出，清洁能源更加确立了其在交通运输行业的发展地位。燃料电池具有效率高、清洁及低振动等优点，因而逐渐成为船舶新能源领域的研究热点。燃料电池主要以氢气作为燃料，氢气易燃易爆，如果在船上发生事故，又具有救援难度大，事故后果严重等特点。氢安全问题是燃料电池动力船舶商业化应用前首先要解决的问题。　　氢气是已知最轻的气体且分子直径小易泄漏，当释放到大气中时，会迅速上升并消散，扩散性极强。此外，长期在临氢条件下工作的金属材料易发生渗氢现象，导致材料性能劣化甚至脆断。常温常压条件下与空气混合，氢气的可燃极限为4.1％-74.2%，爆炸极限为18.3%-59%，且最小点火能量只需0.02mJ。　　频繁发生的氢气安全事故让人们“谈氢色变”，氢安全事故中较为严重的是氢气的燃烧爆炸，而大部分相关事故的发生与氢气的泄漏密不可分。氢气从储罐或管路中泄漏后产生可燃气云，在空气中即使是衣物摩擦的静电也会产生足够使氢气燃烧的能量。如果氢气泄漏事故在船舶上发生，甲板上相对有限的空间不利于人员的疏散；即使是持续低流量的泄漏，船上人员在作业时的细微动作也可能造成严重的事故后果。学者们在氢安全领域做了大量研究，研究手段主要包含数值模拟研究与实验研究，因氢气泄漏和爆炸的相关实验危险性极高，操作不慎极易发生安全事故，且实验成本较高、试验台的搭建困难，所以数值模拟研究成为该领域的主要研究方法。综上，本文将以一艘燃料电池游艇为研究对象，采用数值模拟计算方法开展燃料电池船舶氢气泄漏行为的基础研究，通过改变初始参数，以模拟船舶在不同情境下，氢气泄漏后形成的射流运动状态及气云的扩散情况，经过研究得出以下结论：　　1）氢气射流属于典型的正浮力射流，从小孔喷射出的氢气射流在运动过程中受初始动量和浮力作用；在射流初期主要由初始动量驱动，随初始动量的衰减，射流逐渐由浮力驱动；如果初始动量足以支撑射流达到前方壁面，受壁面的阻挡作用，射流会冲击壁面并以接触点为圆心在其表面铺散；若射流下方存在壁面，则射流在发展过程中会被近壁处负压区吸引，产生附壁现象。　　2）当储氢单元的泄漏发生在船舶处于停泊状态时，泄漏高度和环境绝对湿度的增加，使得氢气云团在甲板上开始积聚的时间点滞后，气云越不易在甲板附近产生大面积的积聚；随泄漏源尺寸、泄漏初始压力、环境温度和射流轴线与水平方向所夹负角度的增加，气云更易在甲板上聚集。　　3）针对船舶处于航行状态下发生氢气瞬时泄漏的情形，研究发现当船速低于一定阈值时，射流只向船艏侧运动了极短距离即向船艉扩散，危险性较低；当船速高于阈值时，射流在运动一段时间后会与云团脱离射向驾驶舱；随着船速进一步升高，此进程得到加快，具有较高的危险性。
作者：	周洋
专业：	船舶与海洋工程
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