圆形/非圆形截面喷嘴高压氢气泄漏射流的实验与模型研究

The safety issues in hydrogen production, transport and storage have to be thoroughly addressed before commercialization of hydrogen energy systems for transportation systems. Accurate predictions of hydrogen jet behavior and the hydrogen dispersion into the atmosphere are essential for hydrogen safety research and for designing the infrastructure for our future hydrogen economy. Current theoretical models for circular jets from hydrogen leaks cannot accurately predict the hydrogen concentration distribution and large numerical simulations are not efficient. In addition, most leaks are likely to not be circular and there is very little experimental data for non-circular leaks and no adequate reduced order jet models that can be used for practical calculations. This project will first measure the concentration fields of hydrogen jets to improve the current theoretical model to better understand the dominant mechanism and the dispersion behavior of hydrogen jets. Then, a flow partitioning model will be developed to simplify CFD simulations for high pressure leaks based on shock structure measurements and conservation equations. High pressure hydrogen leaks through non-circular nozzles will also be studied experimentally and numerically to develop a prediction model based on shape factors which characterize the nozzle shape effects on the jet flow rates and dispersion characteristics. The project will provide extensive experimental data for high pressure hydrogen leaks through circular and non-circular nozzles and will provide improved theoretical models and methods to rapidly model such leaks that are needed for hydrogen safety designs of the infrastructure for the hydrogen economy. The project will also be helpful for establishing codes and standards for hydrogen safety.

深入研究氢气在使用过程中的安全问题是推动氢能大规模商业化应用的前提条件，而准确地预测不同情况下氢气泄漏射流的形态和氢气在空气中的浓度扩散，是氢安全研究中的关键问题。针对现有理想的圆截面喷嘴泄漏模型计算不准确、数值模拟效率低，及非圆形截面喷嘴泄漏理论计算模型和实验数据欠缺等问题，本项目拟在前期工作的基础上，开展以下研究：(1)利用浓度场测量数据完善理论计算模型，以理解氢气射流的主导物理机制和扩散特性；(2)利用激波结构测量数据并结合守恒方程，建立高压射流的分层流动模型，以在保证准确性的前提下提高数值模拟效率；(3)针对非圆形截面喷嘴泄漏问题，通过实验测量和模拟研究，确定泄漏点几何特征对射流的影响，构建包含形状因子的浓度场计算模型。本研究的实施将为完善现有的氢气泄漏理论模型和实施大规模数值模拟研究提供新的思路和方法，为氢安全研究提供更多的实验数据支持，从而推动相关技术标准和安全规范的制定。

随着氢能商业化的推进，特别是在交通运输领域中的应用，氢安全问题越来越受到重视。本课题在国家自然科学基金的资助下，围绕不同情况下的氢气泄漏这一氢安全研究的关键问题展开了研究。在团队前期的工作基础上，针对现有理论模型计算不准确、数值模拟效率低和非圆形截面喷嘴泄漏模型和实验数据欠缺等问题，开展了以下几方面的研究：（1）利用平面激光瑞利散射技术测量了高压氢气射流的浓度场，使用获取的实验数据对现有的积分射流模型进行了修正，修正后的计算模型可以准确地预测高压氢气射流的浓度分布；（2）利用纹影法测量了高压氢气射流的激波结构，获取了马赫盘位置和直径、马赫盘处边界层厚度等特征激波尺寸，结合守恒方程建立了分层流动模型，从而在保证了计算结果准确性的前提下大大提高了数值模拟的效率；（3）进行了大空间内的氢气泄漏实验，包括自由射流实验和射流冲击平板障碍物的实验，对上述模型进行了验证；（4）测量了不同长宽比的矩形喷嘴高压氢气射流，结合进一步的数值模拟研究，确定了喷嘴长宽比对浓度衰减的影响，从而构建了包含形状因子的理论计算模型。.此外，在完成了预定研究目标的基础上，还进一步开展了以下工作：（1）搭建了大型地下停车场内的氢气泄漏实验系统，测量了空间内的氢气扩散情况，并在此基础上开发了基于机器学习的泄漏源定位算法；（2）利用数值模拟方法研究了不同工况下的液氢泄漏问题。.本项目取得了较好的研究成果，目前已在氢能领域的主流刊物International Journal of Hydrogen Energy（SCI，IF=4.939）上发表研究论文7篇，中文EI论文2篇，并培养了2名博士研究生和7名硕士研究生。