高压氢气泄漏自燃现象的模拟

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在全球能源短缺,环境污染问题日益严峻的大背景下,积极开发新能源已经成为世界各国的共识。我国作为一个煤炭生成和消耗的大国,新能源的开发对于我国的可持续发展战略具有举足轻重的意义。在众多新型能源中,氢气由于其高效、无污染等特点而得到了世界各国的广泛关注。氢气的储存技术在氢气的生产、运输以及使用等环节中都占据着至关重要的作用。高压储氢已被证明是一种经济效益最好的储氢方式之一,但是高压氢气泄漏自燃问题一直以来都是氢气能源推广中的极大安全隐患。高压氢气泄漏自燃现象作为一个十分复杂的物理和化学过程,目前人类对于其规律的认识仍然非常有限。在该背景下,本文进行了如下研究工作并取得了相关成果:围绕着高压氢气泄漏自燃现象展开研究,以激波管内氢气的水平射流作为研究对象,利用开源CFD计算程序包OpenFOAM对激波管内的高压氢气泄漏自燃现象进行了数值模拟。基于有限体积法,对时间的微分格式采用欧拉离散,而对梯度格式,散度格式以及拉普拉斯算子均采用高斯线性插值离散方法,并通过交错网格技术和PISO算法模拟了湍流场中的压力场与速度场的耦合。通过以上方法对激波管内的高压氢气泄漏自燃现象进行了详细的数值模拟,并将模拟结果与实验数据进行了对比和分析,证明了模拟结果的正确性。本文对氢气在不同初始工况、不同结构条件、以及二甲醚不同掺入量下的泄漏自燃特性进行了模拟和分析。研究结果表明:氢气的初始压力和初始温度的增长都会极大的提高管道内形成的激波的温度,从而促进混合气体的燃烧过程;下游管道的直径减小则会加剧管道内激波的聚集和反射,从而促进混合气体的燃烧,但是过小的管径也会使得混合气体量过少,从而减弱燃烧;管道长度的增加会有利于氢气和空气的混合,从而促进燃烧,但是过长的管道长度也会使得扩散的氢气带走过多的热量,从而减弱气体燃烧;如果在氢气掺入二甲醚气体,则混合气体的燃烧会呈现先上升后下降的趋势,总体来说氢气和二甲醚混合气体的燃烧特性与氢气的燃烧特性保持一致。通过研究工作本文得到了氢气高压泄漏自燃的一些相关规律,为储氢设备的设计、生产和安全使用提供了一定的理论依据,并为该过程的进一步深入认识奠定了基础。
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