FLUENT氢气泄漏模拟

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1 前言

    随着氢能的发展，氢安全问题必定会得到越来越多的关注。在氢安全众多相关问题中，氢气的泄漏是一个重点。氢气在空气中点燃可能发生爆炸，其爆炸极限是4.0%-75.6%（体积分数）。采用数值模拟方法研究氢气的泄漏规律是一个有效、经济的手段，这些年随着商业CFD软件的发展，氢气泄漏的数值模拟研究已经有大量的成果，今天我们也做一个氢气泄漏的案例，供参考交流。

2 建模及网格

    根据以下尺寸建立一个18×7×5.33m的计算域，氢气泄漏口的直径为22mm，对氢气泄漏位置附近网格进行适当细化，网格节点总数595484。

3 求解设置

    采用稳态求解器，实际上氢气的泄漏分析更关心瞬态的情况，这里我们只考虑稳态情况下的氢气分布。

    采用RKe湍流模型，前人的大量研究表明采用RKe模型可以相对较好地模拟氢气的射流问题，同时打开浮力项用以模拟氢气在空气中上升。

    开启能量方程和组分输运模型，由于后面我们会将氢气的密度设置为理想气体模型，能量方程还是会自动开启的，组分输运模型模拟氢气在空气中的扩散对流现象。

    从FLUENT材料库里复 制氢气材料，并将密度改为理想气体模型。

    组分输运模型的混合物设置成氢气和空气二元混合气体。

    将组分输运模型的扩散系数设置成6.1e-5。

    除了地面和泄漏管为壁面边界，其他几个面均设置为压力出口边界。

    泄漏口设置为速度入口，组分全部为氢气。本案例我们计算了泄漏速度10m/s和100m/s两组。

4 计算结果

    我们以爆炸极限下限（体积分数4%）创建等值面，FLUENT没有体积分数，而摩尔分数和体积分数是对应的，我们以摩尔分数创建等值面。泄漏速度10m/s（上图）和100m/s（下图）的爆炸下限等值面如下，可以看出在计算工况下泄漏的氢气会上升。这是因为氢气的密度很低，即使在通风不畅（比如本案例）的环境下，泄漏的氢气也会很快上升并且向各个方向扩散从而浓度降低。需要说明的是，上升的情况和Fr数（弗劳德数）有关，这里不细究了。

    我们再看一下氢气泄漏口和各个压力出口的氢气质量流量，可以看出，氢气主要从顶部流出计算域，这也是为什么在涉氢的厂房尽量在顶部增加通风口，氢气太轻了容易在浮力作用下上升，避免在顶部由于通风不畅而聚集。