【摘要】：氫能是一種清潔可再生的二次能源,是未來(lái)替代化石能源的最佳選擇之一。目前氫能商用過(guò)程中使用的儲(chǔ)氫方式仍然是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫,儲(chǔ)氫設(shè)備存在發(fā)生氫氣泄漏造成安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。研究分析氫氣泄漏后形成的高壓欠膨脹射流流場(chǎng),對(duì)制定氫安全領(lǐng)域中相關(guān)的規(guī)范和準(zhǔn)則有著重要的意義。本文基于兩區(qū)域虛噴嘴模型對(duì)流場(chǎng)中存在平板障礙物的高壓欠膨脹射流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,同時(shí)開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。傳統(tǒng)對(duì)高壓欠膨脹射流的完整CFD數(shù)值模擬方法具有模擬時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)計(jì)算資源多、計(jì)算不穩(wěn)定等缺點(diǎn),不能滿足對(duì)氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分析的實(shí)際工程應(yīng)用。本文對(duì)高壓欠膨脹射流激波結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析了核心區(qū)與混合邊界層區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)的特點(diǎn),對(duì)射流邊界條件和流動(dòng)過(guò)程中的守恒關(guān)系提出合理的假設(shè),結(jié)合現(xiàn)有關(guān)于激波結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量經(jīng)驗(yàn)公式,考慮真實(shí)氣體與理想氣體的偏差引入Abel-Noble氣體狀態(tài)方程,最終建立了新型兩區(qū)域虛噴嘴簡(jiǎn)化模型。并對(duì)其模擬高壓欠膨脹射流的準(zhǔn)確性進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果證明兩區(qū)模型可以準(zhǔn)確計(jì)算高壓欠膨脹射流流場(chǎng)。在一定程度上解決了傳統(tǒng)虛噴嘴模型中不能體現(xiàn)射流激波結(jié)構(gòu),對(duì)實(shí)際流場(chǎng)模擬存在誤差的問(wèn)題。氫氣發(fā)生泄漏后周圍物體會(huì)對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用,目前關(guān)于這方面的研究相對(duì)較少。本文利用兩區(qū)域虛噴嘴模型,對(duì)射流流場(chǎng)中存在不同角度布置和不同距離布置的平板障礙物的情形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,通過(guò)定性與定量的對(duì)比分析模擬結(jié)果,得到氣體受障礙物影響的流動(dòng)規(guī)律。平板傾斜度較大情況下氣體在平板表面的濃度分布更均勻,傾斜度較小時(shí)氣流在平板邊緣的附壁效應(yīng)更明顯,隨著平板與噴嘴之間距離的增大,平板表面的氣體濃度分布曲線更平緩。平板障礙物的存在能夠有效阻止氣體的流動(dòng),使可燃域大部分集中在射流中心線的附近區(qū)域。
【圖文】：

內(nèi)濃度下降速度較快。這些因素使得氫氣發(fā)生泄漏后，相比其他傳統(tǒng)燃料泄漏引逡逑發(fā)嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)較低，因此氫氣的使用安全性相對(duì)較高。美國(guó)能源部的一份報(bào)逡逑告中給出了氫氣車與汽油車的泄漏起火實(shí)驗(yàn)Ｗ，如圖１－１所示，由于氫氣的密度逡逑較低，所受到的浮力較大，射流火焰幾乎垂直向上，對(duì)車體影響較小；而汽油車逡逑發(fā)生泄漏以后，燃料在車底狹窄空間聚集形成高濃度的可燃混合氣體，造成了車逡逑體的劇烈燃燒。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭壬险f(shuō)明氫氣低密度、易擴(kuò)散的特性有利于逡逑安全。邐＋逡逑６逡逑

。逡逑儲(chǔ)存設(shè)備內(nèi)滯止壓力Ｐｏ與環(huán)境壓力的比值妒，以及泄露出口處氣體壓力逡逑八與環(huán)境壓力的比值＆是決定射流流動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)：逡逑＂。＝＾’＂６＝＾邋（１－１）逡逑一般情況下，當(dāng)Ｔｌ0大于氣體的臨界壓力比時(shí)，泄漏形成的射流即為欠膨脹射逡逑流。對(duì)于縮放噴嘴，則還需保證少＞１【１１】。逡逑發(fā)生高壓欠膨脹射流時(shí)，泄漏口邊界會(huì)形成普朗克－邁耶膨脹波群Sl『０１１出１－逡逑ＭｅｙｅｒＥｘｐａｎｓｍｕＦａｎ），使射流形成放射形邊界，這些膨脹波群會(huì)經(jīng)過(guò)反射與壓逡逑縮過(guò)程形成斜激波。在價(jià)足夠大時(shí)，射流氣體會(huì)膨脹形成被稱為馬赫盤的正激波，逡逑核心區(qū)域內(nèi)氣體在通過(guò)馬赫盤之后壓力會(huì)恢復(fù)到環(huán)境壓力，而速度則降低為亞音逡逑速。在斜激波之外的環(huán)形邊界層內(nèi)存在一系列復(fù)雜的壓縮波，，該區(qū)域內(nèi)氣流保持逡逑超聲速狀態(tài)流向射流下游［１４］。典型的高壓欠膨脹射流激波結(jié)構(gòu)示意圖如圖１－２所逡逑示，高壓欠膨脹射流可分為三個(gè)區(qū)域：近場(chǎng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)［１５－１７］。逡逑ｕ邐Ｌ邐＾逡逑ｊｃｉ邋ｂ0ｕｍｌａｒ＞邐邐逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK91

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