隧道里同时燃起两处氢气喷射火，天花板会被烧到多高？

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《隧道内双氢气喷射火的天花板温度评估》论文解读

本文为编译解读

缩尺隧道里同时燃起两处氢气喷射火，顶棚沿线布满了测温热电偶。

氢燃料电池汽车被寄予厚望，但一个常被忽视的问题正被研究者反复敲打：如果它在隧道里发生氢气泄漏并被点燃，隧道会变成什么样？尤其是——当隧道里同时出现两处喷射火，危险会不会成倍放大？

这篇文章不讨论概念，而是拆解一项 2021 年发表的 CFD 研究。研究者用计算机模拟了一节缩尺隧道里两处氢气喷射火相互作用的场景，回答了三个问题：火源位置怎么影响燃烧？通风速度怎么影响温度？氢气火灾和液化石油气火灾，在隧道里的表现到底差在哪。

01 氢气火，为什么让隧道如此棘手

氢气常被宣传为最清洁的能源，但它有几个让人头疼的物理特性：无色、无味、无毒，人眼看不见、鼻子闻不到；它比空气轻 14 倍，一旦泄漏会迅速上升；更重要的是，它在空气中的可燃范围极宽——体积分数从 4% 到 75% 都可能被点燃。

在开阔空间，泄漏的氢气会很快飘散，风险相对可控。但在隧道这类半封闭、封闭环境里，氢气容易积聚；一旦被火源点燃，高压泄漏便形成喷射火，火源附近温度急剧升高，同时隧道内氧气被大量消耗。升温与缺氧叠加，正是隧道事故最危险的场景。

02 研究者如何“复现”一场隧道火灾

真实隧道做火灾实验成本极高、风险极大，所以研究者普遍改用计算流体力学（CFD）模拟。这项研究用开源火灾模拟软件 FDS、配合大涡模拟（LES）方法，构建了一个 6 米长、1.3 米宽、0.8 米高的缩尺隧道模型，顶棚和侧墙按混凝土参数设定，尽量还原真实环境。

为了确保模型可信，作者先用一束液化石油气（LPG）喷射火的结果与文献实验数据对比，验证模型准确后才展开正式研究。他们设计了 9 组工况：含单束氢气的对照工况，以及多束氢气火的不同组合——改变火源间距、第一处火源到隧道入口的距离，以及入口纵向通风速度。火源热释放率：氢气 801 千瓦，LPG 120 千瓦；隧道顶棚沿线布置 19 个热电偶，专门测量天花板温度。

03 两束火焰挨在一起：热量“互喂”，空气却“不够分”

当两处喷射火同时燃烧，决定燃烧效率的，是两种机制的博弈。

第一种叫热量反馈增强：一束火焰的辐射热会帮另一束火焰烧得更旺，火焰挨得越近，这种互喂越明显。第二种叫空气供应限制：火焰太近，靠内的火源可能供氧不足，反而削弱燃烧。两套机制此消彼长，火源间距和火源位置，正是通过它们决定天花板到底能烧多热。

模拟结果显示：在无通风的情况下，火源上方的天花板温度会先升高、再回落，大约 68 秒后进入准稳态。单束火源越靠近隧道中部、离入口和出口都远，空气越受抑制，准稳态天花板温度会从 835℃ 一路降到 490℃。两束火焰时，火源之间的天花板会出现明显的温度凹陷——间距越大，凹陷越明显。

04 通风速度：低风“喂火”，高风“灭火”

风对火的影响不是线性的。低风速下，风把燃烧产物吹走、带来更多氧气，火反而烧得更旺；风速足够高时，燃料和燃烧产物在充分混合前就被带离，火焰可能被吹灭。

模拟结果显示：加入通风后，天花板温度随时间上升直至准稳态——这和零通风时先升后降的模式完全不同。纵向风会把火焰吹倾斜，并把上游的高温气体层推向隧道下游。整体上看，通风速度越高，天花板温度越低：在最高风速下，两处火源上方的温度甚至只比环境高约 20℃，因为热空气被直接带出了隧道。

不过通风是把双刃剑：它把热量推向隧道下游，下游天花板仍可能面临更高温度。设计通风系统，需要在降温与热量迁移之间做统筹。

05 氢气与液化石油气：同一隧道，两种“体温”

作者把多束氢气火和多束 LPG 火放进同一模型对比，结果发现两者的天花板温度分布模式截然不同。关键差异在于火焰的发射率——它决定火焰能辐射出多少热量。

相比碳氢燃料（如 LPG），氢火焰发射率低，辐射出去的热量少，一束火焰能喂给另一束的热量也少；而 LPG 发射率高，两束火焰之间的热量反馈更强，靠入口那束火焰的燃烧被明显增强。再加上两者热释放率不同（氢气 801 千瓦 vs LPG 120 千瓦），氢火焰还会在顶棚处发生劈裂，造成火源正上方出现一个温度低点，而 LPG 火焰不会。

图1：氢气（上，Case 1）与 LPG（下，Case 8）在 100 秒时的温度场云图对比——氢火焰在顶棚劈裂，LPG 则整体铺展（来源：论文 Fig.14）

所以，同样是两处喷射火，换一种燃料，天花板温度分布可能完全不一样。

06 对隧道安全设计的三点启示

这项研究的意义，不只是氢气火很危险，而是给出了一套更细的判断维度：

火源位置与间距不是摆设，它们通过热量反馈和空气供应两套机制，共同决定天花板温度。
纵向通风能显著降低整体天花板温度，但代价是把高温推向隧道下游，需要统筹设计。
评估隧道火灾风险时，不能把一种燃料的结论直接套用到另一种燃料——燃料的发射率与热释放率差异，会带来完全不同的温度分布。

作者也点明了研究的边界：这里用的是缩尺模型和竖直喷射火，真实隧道尺度、水平喷射、多辆氢车同时泄漏等更复杂场景，仍需更深入的研究。

真正值得追问的问题，不是氢气安不安全，而是在什么条件下，氢气的危险会被放大。而这项研究给出的答案很明确：当火源不止一处，当位置、通风、燃料性质同时起作用时，隧道天花板上的温度，比我们想象中更复杂。

本文来源：Ceiling temperature assessment of a reduced scale

tunnel in the event of two hydrogen jet fires

来源：气瓶设计的小工程师

气瓶里的“充装系数”到底是什么？

PART 01 气瓶里的“充装系数”到底是什么？之前有朋友问题我，这个气瓶的充装系数是什么意思，那么今天来讲讲。这个词听起来挺专业，其实没那么复杂。简单说，充装系数就是用来确定气瓶里最多能装多少液化气体的一个参数。比如一个气瓶是50 L，某种液化气体的充装系数是0.5 kg/L，那么按照这个系数计算：[50L❌️0.5=25kg 也就是这个瓶子对应的充装量是25 kg。但问题来了：为什么不能直接把瓶子装满？这才是充装系数真正有意义的地方。液化气体装进瓶子以后，温度升高，液体会膨胀。比如冬天充气的时候，温度比较低，瓶子里面装了一定量的液体。到了夏天，温度升高，液体体积就会变大。但是气瓶的容积不会跟着变大。如果一开始就装得太满，液体膨胀以后没有地方去了，瓶内压力就可能快速升高。所以充装液化气体时，不能把瓶子装得满满当当，必须留出一定的空间。这个“最多装多少”，就和充装系数有关。 PART 02 充装系数是怎么来的？其实就是根据这种液化气体本身的性质算出来的。主要会考虑：液体的密度、温度变化以及液体的膨胀情况。不同的液化气体性质不同，所以充装系数也不同。所以它不是随便规定一个数字，更不是所有气体都用同一个系数。 PART 03 需要注意的区分充装系数这个概念，在液化气体上特别典型。像我们平时接触的氢气、氧气、氮气等压缩气体，主要是靠提高压力来增加储气量，充装时关注的是压力、温度、容积以及气体状态。所以看到“充装系数”这几个字，首先要看看：说的是哪一种气体，采用的是什么充装方式。 PART 04 总结说到底，充装系数其实就是为了回答一个问题： «这个气瓶里面，到底装多少才合适？» 特别是液化气体，不能只想着“能装多少”，还得给液体升温膨胀留一点空间。所以，充装系数看起来只是一个数字，背后其实是在给气瓶留安全余量。来源：气瓶设计的小工程师