《氫燃料儲存設備中高壓氫氣泄漏的理論及實驗研究》是依託清華大學，由柯道友擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氫燃料儲存設備中高壓氫氣泄漏的理論及實驗研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：柯道友
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氫氣將成為未來交通運輸系統中的一種重要能源，而其作為燃料必須以極高的壓力儲存在交通工具及加氫站中。本項目將研究與高壓氫氣儲存相關的安全問題，包括高壓氫氣泄漏所產生的欠膨脹射流的物理機制和氫氣在空氣中的擴散。 本項目將進行穩態和非穩態高壓欠膨脹射流實驗研究，包括出口附近激波結構的可視化、流動速度的PIV測量和PLRS濃度測量等。這些測量結果將有助於確定控制高壓射流的關鍵物理機制，並提供目前迫切需要的高壓泄漏實驗數據。 理論研究方面，將建立新的兩區域虛擬噴管模型以描述高壓欠膨脹射流。數值模擬方面，將評估高壓欠膨脹射流計算中實際氣體物性的影響、現有湍流模型的準確性和湍流Schmidt數等參數的影響。這些理論和數值模擬研究都將有助於確定高壓氫氣射流周圍的可燃範圍，從而確定氫氣儲存設備和交通工具周圍的安全區域。 本項目將發表高壓氫氣泄漏擴散方面的實驗研究、理論研究和CFD研究方面的論文。
結題摘要
氫氣將成為未來交通運輸系統中的一種重要能源，其作為燃料必須以極高壓力（最高可達70 MPa）儲存在交通工具及加氫站中。本項目研究了與高壓氫氣儲存相關的安全問題，包括高壓氫氣通過小孔泄漏而產生的欠膨脹射流的物理機制和氫氣在空氣中的擴散。本項目使用氫氣和氦氣進行了壓力最高達50 MPa的穩態和瞬態高壓欠膨脹射流實驗研究。實驗中經常使用氦氣替代氫氣來為氫氣射流模型提供參照數據。實驗內容包括出口附近激波結構的可視化測量、不同空間形式的流場中的氫氣和氦氣濃度分布等。在美國Sandia國家實驗室使用PLRS系統對最高滯止壓力為6 MPa的欠膨脹氫氣射流濃度場進行了可視化測量，為國際高壓欠膨脹氫氣射流研究提供了數據支持和參照。另外，還使用氦氣進行了自由射流、沿平行平板射流和與射流中心線呈不同角度的障礙板射流的濃度場測量實驗。這些實驗數據都被用於驗證相應的超聲速欠膨脹射流的理論和數值計算模型。理論研究方面，提出了新的針對高壓欠膨脹射流的兩區域模型，並利用實驗數據進行了驗證。此外，還建立了CFD模型以準確地模擬各種複雜的射流場景。研究結果表明，特別是當射流流場中存在障礙物時，本項目提出的兩區域模型比現有模型的計算結果更加準確。研究還表明實際氣體物性對氣體在空氣中的擴散模擬影響不大，模擬中也可使用多種不同的湍流模型。此外，模型還用來計算氫燃料汽車發生意外泄漏時如何進行應急處理，以安全、快速地使泄漏氫氣擴散到危險濃度以下。本項目所建立的兩區域模型可以用來預測複雜空間形式的流場中氫氣射流的可燃範圍，計算儲氫設施和氫燃料汽車周圍的安全區域，從而進一步推進氫燃料汽車和氫經濟的發展。
