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液氢泄漏事故中氢气可燃云团的扩散规律研究

摘要：针对液氢生产、储存、运输过程中发生瞬时大流量泄漏的问题，

对美国国家航空航天局进行的液氢泄放实验进行了数值模拟。采用非均相的

混合模型，考虑气液相间速度滑移，对氢气、空气云团内部浓度、温度、密

度等物理量的动态变化规律，以及可燃云团在竖直方向的扩散范围进行研究，

揭示了可燃云团在开放空间的动态扩散行为，其扩散行为分为重气扩散、浮

升扩散和被动扩散3个阶段。浮升扩散阶段为可燃云团扩散的最主要阶段，

发生在停止泄放后大约8s的很短时间内，氢气浓度急剧下降，云团快速脱离

地表并升高至约30m，在被动扩散阶段可燃云团扩散最慢，却占据大部分时间，

即大约60s的时间，此阶段可燃云团维持在约40m的高空并且随风飘移。在

风速较低的工况下，温差导致的低温氢气与空气的局部湍流相混合，是可燃

云团扩散的主要动力。

液氢将逐步作为主流推进剂，广泛应用于发射空间站、载人登月、登陆

[1]

火星和深空探测领域。虽然液氢与其他推进剂相比具有显著优势，但其易扩

散、可燃范围宽（4%~75%）、点火能量小（0.019mJ）的特点，使得其在贮存、

运输、加注过程中存在严重的安全隐患，历史上曾发生过多次由液氢泄漏引

起的安全事故[2-3]。因此，开展液氢泄漏扩散规律的研究，对于预防和避免火

灾、爆炸事故发生，指导事故应急处置，降低人身和财产损失，有着重要的

现实意义。

国内外研究机构开展了6组液氢泄漏扩散的实验研究[4-9]，其中美国国家

航空航天局（NASA）进行的大流量瞬时泄放实验，英国健康与安全实验室（HSL）

进行的小流量连续泄放实验，具有较强的代表性。NASA于1980年在白沙试验

基地（WSTF）进行的液氢泄放实验，获得了液氢池的大小和测点的氢气浓度

等数据，以及可见云团的动态扩散过程[5，10]，但是该实验并未获得远场（监测

塔之外）的氢气浓度场。2011年，HSL在山谷中进行了14次液氢泄放实验，

[8]

来模拟液氢储罐在转注过程中连接软管的泄漏事故。与其他实验不同的是，

部分实验中发现了液氢池附近空气组分（氧气和氮气）的凝华现象，在4次

点燃实验中也得到了火焰速度、热辐射通量等数据，但该实验同样仅获得了

1

近场的氢气浓度场。此外，国内唯一有液氢实验资质的北京航天试验技术研

[9]

究所也在2016年进行了小规模的液氢泄放实验。

考虑到液氢泄放实验的安全和经济因素，国内外一些学者采用CFD来模

拟上述实验，并得到了一些有益的结论。文献[7，11]分别采用ADREA-HF、FLACS

程序验证了数值模拟研究的可行性；文献[12-13]研究了环境湿度和大气稳定

度对氢气扩散的影响；文献[14-15]研究了风温、风速、地温及空气中氮氧液

化对氢气扩散的影响；文献[16]研究了典型季节温度、风速、大气压力对可

燃云团扩散的影响规律。

综上所述，国内外学者虽然开展了一些液氢泄漏扩散方面的研究，但很

少关注可燃云团整个扩散进程中的行为特性。本文以NASA的大规模液氢泄放

实验为物理模型，在文献[16]数值模拟研究的基础上，对处于可燃浓度下限

的可燃云团的宏观扩散行为特性进行了研究，以期为事故的安全评估提供理

论指导。

1物理现象

液氢泄漏到大气环境后所发生的物理现象，可分为以下4个阶段[17-18]，液

氢泄漏后的物理现象如图1所示。

（1）由于环境温度远高于液氢的饱和温度，当泄漏速度小于瞬时气化速

度时，液氢将在泄漏口附近快速气化；若泄漏速度大于瞬时气化速度，少量

2

的液氢在泄漏口附近气化，剩余的液氢在固体、液体壁面累积并逐步扩展为

液池，直至气化速度等于液化速度时，液池停止扩展，达到最大面积。

（2）液池在扩展的过程中不断吸收固体、液体壁面以及大气环境中的热

量（