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小规模意外释放氢气的研究：浮力效应

R.W.谢弗*，W.G.Houf，T.C.威廉姆斯

燃烧研究设施，桑迪亚国家实验室，利弗莫尔，加利福尼亚州94551，美国

在小规模氢气泄漏中进行了测量，以表征由此产生的可燃氢云的尺寸特性和流动特性。这些数据旨在为确定由于意外释放而形成可燃混合物的危险长度标度提供技术依据。与之前考虑动量主导释放的研究不同，本研究侧重于浮力变得重要的低流速下的小规模释放。选择紊流射流作为泄漏几何形状为圆形的释放的代表。利用激光瑞利散射对泄漏下游氢浓度场进行了表征。粒子图像测速技术（PIV）也被用来表征流动速度。给出了时间平均平均和波动的氢浓度统计数据，并与动量主导流动的结果进行了比较，以阐明浮力对氢扩散过程的影响。在所研究的弗劳德数范围内（Frfrac14;268、152和99），随着Fr减小，浮力的增加效应被视为在下游位置，浮力的影响相对于射流动量增加。浮力的主要作用是增加相对于动量主导流的时间平均H2质量分数的中心线衰减率。浮力引起的加速度也会导致时间平均轴向速度分量沿中心线缓慢衰减。当根据相同的相似性/标度变量绘制时，时间平均H2质量分数的径向剖面也塌陷到相同的曲线上，从而导致动量主导的流动。浮力对中心线速度波动的影响可以忽略不计，但在浮力状态下，H2质量分数的最大波动强度增加了70%，峰值从混合区向射流中心线移动。所提供的数据库应为验证正在开发的CFD模型提供良好的测试，以预测浮力重要条件下的意外氢气释放。

1. 介绍

实施氢能系统的安全规范和标准将需要科学依据

评估可靠的安全问题，制定适用于未来氢气基础设施的规范和标准。氢组分意外释放的特征已确定为

规范和标准开发特别关注的领域[1]。这些泄漏包括从输送管道中的孔产生的小直径缓慢泄漏，到高压储罐管道意外破裂导致的大容量泄漏。在所有情况下，产生的氢射流都代表着潜在的火灾危险，如果在泄漏下游点燃，可燃云的积聚也会造成危险。

先前关于氢气意外释放的研究[2–4]集中在大规模点燃氢气泄漏上。在实验测量的基础上，建立了火焰长度和辐射换热特性与泄漏几何形状和源压力的关系式。发展了一个模型来预测这些火焰的辐射热通量和空间范围[5]。最近，这些喷射火焰研究扩展到实验室规模的未点火氢气释放，以表征泄漏下游区域的氢气扩散和可燃气体包壳的范围。这些未命名的H2射流研究集中在动量主导流动（高弗劳德数）和浮力和动量都很重要的流动或浮力主导泄漏行为（低弗劳德数）的极限流动中的小泄漏。含氢系统（如低压电解槽、泄漏配件或O形密封圈、建筑物或含氢储存设施中的通风口）可能发生缓慢泄漏。

在之前的一篇论文中，Schefer等人[6]描述了在浮力影响可忽略的流动条件下，实验室规模氢气泄漏中氢气分布的测量。选择湍流射流模拟泄漏几何形状为圆形的意外氢气释放。对于给出的流速，雷诺数足以充分发展湍流，弗劳德数（Frfrac14;268）处于动量占主导的状态，其中浮力产生的动量的影响很小。数据表明，在动量占主导地位的情况下，H2射流的行为与氦和常规碳氢燃料（甲烷和丙烷）射流相似。与其他气体一致，H2质量分数中心线衰减率呈1/z依赖关系，其中z是从射流出口的轴向距离。当用有效射流直径d*frac14;（rjet/rair）对轴向距离进行归一化时，所有气体的衰减率都会塌陷到一条曲线上。沿中心线的质量分数波动强度以及平均和波动H2质量分数的径向变化也与其他动量占主导地位的射流一致，并在绘制适当的相似性变量时塌陷到相同的曲线上。d级

与前一篇论文不同的是，本文的结果将着重于在浮力和动量都很重要的低弗劳德数流型中获得的测量结果。本研究有两个主要目的。第一个目标是实验表征浮力对氢扩散的影响，以及在小氢泄漏下游形成的可燃气体包层。对安全规范和标准制定特别感兴趣的是各种尺寸和流速的未察觉泄漏的可燃性外壳的特征，这对于更好地理解通过小泄漏意外释放的潜在安全危险是必要的。此外，一些研究小组针对不同的氢气泄漏情况制定了CFD建模程序[7,8]。开发和应用这些CFD模型的一个必要步骤是根据详细的定量数据库验证模型的预测能力。因此，本工作的第二个目标是通过对明确定义的氢气流进行系统研究，开发一个综合数据库，用于验证适用于非预期氢气释放情景的模型。

在本文的其余部分中，我们简要介绍了实验系统和数据简化技术。为了更好地理解浮力对H2浓度分布的影响，实验测量了H2平均质量分数和波动质量分数的轴向和径向分布，并与动量主导流动的结果进行了比较。测量的平均和脉动速度沿中心线也提出了比较。

2. 实验性的

2.1. 实验描述和流动条件

实验装置的示意图如图1所示。流动系统由位于63.5 mm直径管中心的直径为1.91 mm（内径）的dfrac14;射流管组成。位于较大管道末端的是一个蜂窝板，通常提供同流气流。对于目前的测量，没有使用同流空气。中心喷射管在蜂窝板上方延伸约4 mm，是一个直管，其方形端（内径1.91 mm，外径3.34 mm，恒定壁厚0.72 mm）延伸至喷射出口。燃料是纯氢（H2），通过中央燃料管注入周围的静止空气。射流出口前有一段长度约为1m的直管段。使用校准的质量流量控制器测量燃料流量，估计精度优于1%。排出射流的气体温度保持恒定，等于21℃（1）和100 kPa（0.5 kPa）的室温条件。对于本文其余部分中给出的测量，射流垂直向上。

在表1所示的流量范围内进行测量。前两列给出了基于体积流量和射流出口横截面积的体积流量Q和平均射流出口速度uJet。表1也给出了相应的弗劳德数和雷诺数。注意，这种泄漏的动量与浮力之比可用出口弗劳德数表示

法国frac14;喷射=eth;rN rJetTHORN;=rJet1=2（1）u型广东

其中g是重力引起的加速度，d是泄漏直径，rN是环境密度，rJet是氢的射流出口密度。高弗劳德数泄漏（Frgt;1000）由射流的初始动量控制，而低弗劳德数泄漏（Frlt;10）由射流中局部气体密度与环境空气密度之间的相对差产生的浮力控制。弗劳德数在中间范围（10lt;lt;1000）的泄漏受初始释放动量和浮力的影响。表1也给出了所研究氢气泄漏的弗劳德数，其范围为58到268，属于中间范围。Schefer等人[6]给出的结果表明，Frfrac14;268流动与动量主导射流的行为完全一致。然而，如下图所示，当Fr在此范围内变化时，浮力的增加效应被清楚地看到。因此，所选择的流动提供了一系列弗劳德数，在弗劳德数范围内，流动要么受到浮力的强烈影响，要么受到动量的支配。射流雷诺数范围从层流（Refrac14;520）扩展到过渡湍流（885和1360）到完全湍流（Refrac14;2384）流动条件。人们普遍认为，基于射流出口条件的整体弗劳德数的使用，事实上，可能不能完全描述流体中的浮力效应法国

流动的局部区域。然而，基于射流出口条件的弗劳德数的使用提供了一个有用的参数，便于与使用弗劳德数定义的文献研究进行比较。

激光由波长为532nm的Nd:YAG激光器（9ns脉冲宽度，800mj/脉冲）提供。光束由一个50毫米焦距的柱面透镜和一个500毫米焦距的球面透镜组合而成，高75毫米，厚300毫米。瑞利散射信号以与激光片（f/1.2光学元件）成直角的角度采集，并聚焦到增强型Roper Scientific PI-MAX ICCD相机上。摄像机的增强器被关在门上保持400纳秒。对于垂直方向的射流，激光片的平面与射流中心线平行。相机的成像视野约为50 mm（径向）50 mm（轴向）。相机探测器以512像素的格式运行，提供了约100毫米/像素的空间分辨率。

速度场的测量是通过

粒子图像测速（PIV）。将橄榄油滴（标称直径1 mm）引入燃料流中，并用光学器件产生的激光片和双脉冲Nd:YAG激光器的532 nm输出进行照明。准直激光片垂直定向，在46mm正方形视场上厚度约为300mm。2048像素的跨框相机与激光片成直角。图像对的互相关分析基于128像素窗口的50%重叠，在流中提供1.4 mm的空间分辨率。

2.2. 数据简化程序

瑞利散射数据简化程序的细节见参考文献[6]。简单地说，瑞利散射信号对气体密度很敏感。鉴于氢气和空气之间的密度差异较大，因此该技术非常适合测量泄漏到环境空气中的氢气的流量浓度分布。通常，测量的瑞利信号Im可以表示为：

伊尔诺普西希

我米frac14;1 (2)

放射性同位素式中，Il是激光功率，Cl是与收集光学元件相关的常数，No是总气体数密度，P是气体压力，T是气体温度，R是理想气体常数，si和Xi分别是第i种气体的瑞利散射截面和摩尔分数。可以进一步证明[6]，对于氢和空气的等温双组分混合物，散射光信号与氢摩尔分数的关系式如下：

十ffrac14;eth;aamfTHORN;（3）二二

由式（3）可知，只要已知纯空气和纯燃料中相应的瑞利散射信号Ia和If，氢的摩尔分数轮廓可由测量信号Im确定。在本实验中，在Im图像（保持恒定激光功率）前后立即在纯空气和纯燃料中获得一组100次放炮，并取平均值用于公式（3）。这种方法的另一个优点是，通常从瑞利信号中减去的背景散射在等式（3）中抵消，因此不必确定。同样，平场和激光片强度变化的修正可以忽略。为了便于与文献中先前的结果进行比较，使用氢和空气的已知分子量将测量的氢摩尔分数转换为质量分数。

通过获得纯空气中的单次激发数据，确定了H2摩尔分数的噪声相关误差。假设场的不均匀性是由噪声引起的，则通过将相邻像素值的均方根波动除以它们的平均值来确定单次激发的信噪比（S/N）。在纯空气中得到的信噪比约为50。氢质量分数的可重复性根据重复数据表和系统校准放炮进行估算。根据这些数据，400个激光炮的平均质量分数和波动质量分数的不确定度分别为3%和6%。

3. 结果与讨论

3.1. 氢浓度场

图2所示为氢射流出口区域中氢摩尔分数分布的图像。浓度以灰阶表示，右边的色条表示氢摩尔分数。所示区域从喷射出口下游5 mm延伸至140 mm。由于相机系统的视野在垂直方向上仅延伸约50 mm，因此所示的每个图像是在不同时间（即激光拍摄）拍摄的三个单独图像的合成，并且在垂直方向上堆叠以延伸视野。对合成图像的仔细检查显示，在50和95 mm的轴向距离附近，沿水平线的连续性出现轻微断裂，这对应于不同的图像。由于激光脉冲的持续时间很短，图像显示了氢气的瞬时分布和流动结构。这四张照片是在表1给出的弗劳德数和雷诺数范围内拍摄的。这些流速对应的弗劳德数从58，在这种情况下浮力是重要的268，这在很大程度上是一个动量主导的流动。左图对应于Frfrac14;58，由于低雷诺数520，为过渡湍流。从平滑的浓度分布可以看出，射流在射流出口和下游约zfrac14;60 mm之间呈层流。在zfrac14;60 mm处，随着层流转变为湍流，浓度分布在外观上变得更加随机。横向有限氢浓度的范围表明，由于湍流混合的增强，射流扩散速率在该位置下游也增加得更快。当弗劳德数增加到Frfrac14;99时，湍流过渡点向上游移动到射流出口，在整个射流范围内有一定程度的湍流。在最高的Fr（和Re）数下，H2浓度在很大程度上的随机空间变化很明显。这些变化是由湍流与射流中的氢气相互作用引起的。非均匀混合导致H2在空间和时间上的分布变化。与切变层相对应的射流的不规则边缘也很明显，其中涡结构将环境空气吸入中心H2射流，并将高H2浓度的流体带出，与额外的空气混合。注意，在

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