1 引 言

液氢作为一种清洁能源，能量密度高、冷却、燃烧性能好。对液氢燃料的研究应用最早追溯到1903年，用氢与氧作为推进剂的设想被俄国的齐奥尔科夫斯基与德国的奥伯恩提出。1955年以液氢为火箭燃料的研究工作由美国Pratt and Whitney公司开展，1960年，液氢真正的成为火箭发动机的燃料。常压下(≈20 ℃、≈101 kPa)，液氢的沸点为20.28 K，液氢的密度是氢气密度的845倍，很适合用于存储空间有限的场合，故液态储氢成为航天器中广泛采用的储氢方式。液氢泄漏后因相变蒸发产生大量的氢气，氢气的可燃范围广，燃烧温度高，一旦燃烧，可能引发爆燃甚至爆轰现象；同时，液氢具有低温危害性，泄漏后会引发固氧和固空现象，催生爆轰危害。

Raymond W Mires[1]最早在1988年对液氢爆炸进行了分析，得到了当流入液氢的能量多于使液氢迅速气化达到破裂压力所需的能量时，贮槽就破裂，贮槽破裂后，氢气迅速膨胀，导致爆炸。Ichard[2]用FLACS软件对液氢的扩散进行两相流模拟，发现液氢对周围空气的冷却会使液氢上升，氢气云在空气中有更明显的浮力效果。Giannaissi[3]等用CFD软件ADREA-HF对液氢泄漏的两种情况水平和垂直扩散进行模拟。Shebeko等学者针对1980年NASA关于液氢泄漏的实验进行了数值模拟研究发现大气的稳定度对氢气云团的形成发挥重要的作用[4-5]。发射场的液氢泄漏的扩散分布研究资料还比较少，特别是在液氢泄漏后具体的氢的浓度的分布的分析较少。

研究发射场液氢贮存和氢气排放安全以及火灾防治，对提高发射场的安全和运行有非常重要的实际意义。本文通过自定义函数(UDF)的编写，考虑了液氢相变，结合CFD完成对不同时刻及不同工况下液氢泄漏扩散完整规律的描述。

2 模型

2.1 几何模型

本文研究火箭发射场贮存液氢泄漏扩散分布状况，液氢从储氢罐中泄漏，重点关注液氢泄漏出来在外界的流场分布，忽略其在储氢罐中的变化。以泄漏口为中心建立外部流场的模型。模型大小的选择是根据Giannissi[3]研究的低温情况下氢气泄漏(两相喷射)扩散实验的空间进行的模型的创建，将流场简化为三维的长方体结构，长、宽、高为8 000 mm×2 000 mm×2 000 mm。X方向即为液氢泄漏喷出的轴线方向，Z方向即为液氢泄漏口所处的高度方向。泄漏口相对于整个流场的尺寸很小，近似为一直径为2 mm的圆孔，其圆心坐标为(0，1 000，1 000)。所创建的物理几何模型如图1所示。其中入口为速度入口，入口所在的面以及地面为壁面，其余各面根据工况的不同设置为不同的边界。

为了方便对各种工况各参数云图进行分析，取该模型的对称面y=1 m对该面上的云图进行分析，并可通过对该对称面上距离泄漏口0 m、0.5 m、1 m的3条沿着泄漏方向的1、2、3线上的各参数的具体数值进行定量分析。在进行模型验证时，为了与文献中的数据进行对比，需要对泄漏口下方距离泄漏口0.11 m处的温度进行定量分析，线段0的温度即为需要对比分析的线段。具体所截取的面以及线如图2所示。

2.2 控制方程

控制方程包括质量守恒、动量守恒、能量守恒方程，见式(1)—式(3)。

YUAN Xin-lu, NIE Li, GAI Ling, YAO Ning-hua, GU Yun-juan, ZHU Xiao-hui, SUN Cheng, CUI Shi-wei

(1)

▽

▽[μm(▽▽▽P+

▽

▽

(2)

目前的技术水平已经可实现不受控制的核聚变，如氢弹等核武器早已登上历史舞台。但如要使核聚变释放出的巨大能量可有效为人类所利用，则必须对其进行人为控制，即受控核聚变。

从80年代开始，国内翻译理论界有不少学者就译者主体性进行了深入的研究探讨，涌现出了一批诸如杨武能、许钧、屠国元、陈大亮等知名专家学者，并形成了一些非常具有影响力的成果[1-4]。综合分析多种观点，笔者认为：所谓译者主体性，其核心是翻译过程中译者体现出来的自主性、目的性、主观性、能动性和创造性等主动特性，同时又兼具制约性、限制性等受动特性，受外部环境与自身视域的制约以及翻译对象的限制，是多种特性集于一体的辩证统一关系。

(3)

整场会议的高潮环节当属“嘉电”产品的发布。最终，来自海尔、格力、海信、奥马、美菱、米技、航天河等7大品牌共计12款优秀产品脱颖而出，获得2018中国家用电器研究院“嘉电”证书。

不受外力影响，一举一动皆出于本心，“由于自己”，如此自在，如此美好。但，自由若当真如此梦幻甜美，为何又有许多规矩来约束着人们，让人在诸多牢笼中苦苦挣扎？只因为自由太过“自由”，而人的本心也往往复杂难辨，黑白混杂，这从武侠小说中的正邪两派的行事作风中可见一斑。

由于Re大于30 000，故选用湍流模型。可实现k-ε湍流模型引入了与旋转和曲率有关的内容，因此它在模拟射流和混合流、管流、边界层流动、有分离流的自由流动中具有优势。本文对液氢泄漏扩散的模拟是射流湍流，故可实现k-ε模型是首选。

低温区主要为液氢与氢气的分布，高温区主要为空气的分布。由不同泄漏压力下的温度分布云图4b可以看出，随着泄漏压力的增大，低温区上扬的部分会向后扩展；泄漏压力越大，泄漏速度增大，泄漏的液氢多，产生的氢气也多，对周围空气的卷吸量多，换热快，整个区域低温区的范围增大。故泄漏压力越大，泄漏后形成的低温区范围越大，液氢泄漏的低温危害性增大。

2.3 网格无关性验证

由于泄漏孔相对于整个空间尺寸特别小且为圆孔，故对泄漏孔采用O-block进行局部加密，减少整体计算量。在本模型中一共选择了4种不同的网格，网格数N分别为548 480、684 232、845 600、1 210 036个网格，模拟入口压力为0.2 MPa，无风状态下经过20 s后对称面上y=1 m沿X泄漏轴线方向射流中心上氢气体积分数，得到不同网格数时液氢泄漏扩散后氢气的体积分数如图3所示，由图3中可以看出，网格数为845 600、1 210 036个时，泄漏轴线上的氢气体积分数分布基本一致，差距很小，故当网格数增加到845 600个，整个模型的模拟结果与网格数关系不大，故该模型采用845 600个网格。

3 仿真计算结果与分析

3.1 不同泄漏压力下液氢泄漏扩散分布情况

液氢的储存压力不同，其泄漏扩散分布状况不同，保持泄漏孔径为2 mm，泄漏口位置距离地面1 m，分别采用不同的泄漏压力对液氢泄漏扩散进行模拟分析，各工况如表1所示。

表1 不同泄漏压力下参数设置 Table 1 Cases with different leakage pressure

序号泄漏压力/MPa速度入口/(m/s)压力出口/MPa风速/(m/s)10．15118．380．1020．21690．1030．32430．10

液氢泄漏20 s后各参数的分布基本处于稳定状态，故对不同泄漏压力下泄漏20 s后的各个参数的状态进行对比分析，为了方便观察分析，主要对对称面y=1 m上的云图进行分析。由氢气的体积分数分布云图4a可以定性看出，液氢由于泄漏压力增大，即储罐压力增大，其对应的饱和温度升高，外界温度与饱和温度温差小易达到其蒸发温度，产生的氢气量也变多，故其扩散范围增大；随着泄漏压力的增大，其泄漏速度也大，氢气浓度分布整体向后推移，氢的泄漏距离延伸，高浓度区(>90%)向后蔓延。高浓度区增大，氢气的可燃区域(4%—75%)随着压力的增大也变大。故液氢泄漏扩散的泄漏压力越大，泄漏后的高浓度可燃区域增大，危害性增大。

(1)麻石硅铝质粗骨土：分布在杨头村、黄燕村、龙眠村大部分地区，母岩多为片麻岩和花岗岩，成土后为松散的碎屑层，土壤层较薄时，A-B层侵蚀殆尽，风化碎屑层裸露，显粗骨特征。

在我国社会的发展中，主导文化占有重要地位，巩固和体现了社会主义核心价值观。同时，群众文化活动的开展不仅可以传播中国特色社会主义核心价值观，还能够有效地反映出当代社会的政治格局和经济环境，为建立和谐、稳定的社会环境提供了保障。

式(1)—式(3)中：为混合密度；αk为每一项的体积分数；n为相数为混合黏度为第k项的滑移速度；keff=∑αk(kt+kk)为有效热传导率；SE包括所有的体积热源为混合相的平均速度，表示本身所具有的热量。

3.2 不同泄漏口位置下液氢泄漏扩散分布情况

图5a为不同泄漏口位置下对称面y=1m上氢气的体积分数分布云图以及近地面泄漏时地面上的氢气体积分数分布云图，由图中可以定性的得出结论：随着泄漏口位置越接近地面，整个区域的氢气的体积分数分布会由于地面的影响而向后推移；泄漏口位置越接近地面，泄漏产生的氢气的高浓度区范围(>75%)增大，当泄漏几乎近地面时，产生的氢气会充满整个流场的高度区域，地面上也会形成高浓度区，造成的危害性越大。可燃区(氢气体积分数在4%—75%之间)的面积随着距离地面越近也增大。如果泄漏口位置都比较高则差距不大，但如果是近地面则氢气的浓度分布区有很大的不同，泄漏口位置越低，产生的氢气高浓度区范围扩大，按照人站立的高度，近地面的泄漏对人造成的危害最大。图5b为不同泄漏孔位置下液氢泄漏扩散对称面y=1 m上及地面的温度分布云图，由图中可以看出，泄漏口位置距离地面越近，低温区蔓延的距离越远；当基本近地面泄漏时，氢气与周围的空气卷吸量增大，换热快，形成的低温区面积大，在地面亦会形成大面积的低温区造成低温危害性。

表2 不同泄漏口位置的参数设置 Table 2 Parameters for leakage holes with different heights

序号泄漏压力/MPa出口压力/MPa风速/(m/s)泄漏口高度/m10．20．100．120．20．100．530．20．101

泄漏口位置h的不同，对于液氢泄漏扩散后的参数分布会有很大的影响，近地面处的泄漏会在地面上形成一个近地面的浓度堆积区而造成分布差异，故对不同泄漏口位置下液氢泄漏扩散分布状况进行模拟分析，保持泄漏压力0.2 MPa、泄漏孔径2 mm不变。对泄漏20 s后的对称面y=1 m上的各参数分布云图进行分析，各工况如表2所示。

▽(keff▽T)+SE

3.3 不同外来风向下液氢泄漏扩散分布

以上针对无风环境分析的液氢泄漏扩散的分布状况，在现实环境中一般是存在微风的环境，而来流风的存在对液氢泄漏后氢气的扩散分布的影响是至关重要的，风向的不同会使得氢气浓度分布大大不同。取风速为3 m/s、泄漏孔径2 mm、泄漏高度1 m保持不变来模拟不同风向下液氢泄漏扩散后各参数的分布状况。

对泄漏20 s后的对称面y=1 m上的各参数分布云图进行分析，各工况如表3所示。

表3 不同外来风向的参数设置 Table 3 Cases with different wind direction

序号泄漏压力/MPa出口压力/MPa风速/(m/s)风向10．20．13上20．20．13逆

图6a为不同外来风向下对称面上的氢气体积分数分布云图，由图中可以明显看出风向对氢气分布的影响很大：逆风会使氢气积聚，使其射流方向扩散距离变短；上风会加快氢气的扩散，使氢气向下扩散，使得氢气浓度变小，相对于逆风其最终达到稳定状态的浓度较小；有风相对于无风其高浓度范围明显变小，而且最高浓度也变小，故有风状态对液氢泄漏后氢气的扩散有利，而且上风相对于逆风对氢气的扩散效果更好。图6b为不同外来风向下液氢泄漏扩散后温度的分布图，由图中可以看出：有风状态相对于无风状态下，低温区(<280 K)蔓延距离短，范围变小；上风情况下，由于液氢以及氢气被吹到地面上而是低温区向下分布，逆风情况下，低温区分布呈上升趋势，整个低温区的范围上风相对于逆风更小，故上风状态下低温危害性减小。

4 结论

通过对不同工况下的液氢泄漏扩散过程进行模拟并进行定量分析，结论如下：

(1)储氢罐的压力越小，液氢泄漏扩散后的浓度越小，但是液氢压力越小，存储温度越低，对储罐的要求提高，存储的难度有所提升，故在可以满足储罐要求的情况下采用最小的储存压力即可。

(2)储氢罐的泄漏点高度不同，造成的氢气浓度分布也不同，当泄漏口越接近地面，泄漏后形成的氢气高浓度区范围越大，低温危害性以及可燃范围都增大。故应尽量避免储氢罐低处的泄漏，对储氢罐设计时也可考虑储罐下部材料的强化。当泄漏口位置较高时，对氢气浓度的减弱可以沿着泄漏口轴线以及上部区域；但当泄漏口位置接近地面时，高浓度区主要集中在地面，可针对地面进行浓度的稀释。

(3)来流风对氢气浓度的扩散有很大的作用，从上面吹风与迎面吹风相对于无风状态更有利于对氢气的稀释，而且上风对氢气浓度的减小帮助更大，故当液氢泄漏扩散时，采取从上面吹风对氢气的稀释作用更明显。

放学后，我们回到办公室，打开灯，把书和教案放到抽屉里。听觉和嗅觉都灵敏的巴克夏拨拉我，让我往窗外看。我推开窗户，后院，她的那间屋子里亮着灯，不时传来何副书记的说话声。但听不到她的声音。我看了看表，呵！快十点了！何副书记待了这么久，该多“关心群众生活”呀！

(4)针对理想无风情况下，泄漏压力的增大会导致液氢低温危害区以及氢气的可燃区范围的变大；泄漏口位置距离地面越近，整个氢气浓度分布的可燃区面积增大。结合实际微风情况对液氢泄漏扩散安全进行评估，外部风流风向变化对氢气扩散浓度分布有较大影响，上部吹风对氢气浓度的稀释最有利；在不同外部风流风速下，风速越大，对氢气的稀释越明显，泄漏危险性大大降低。

参考文献

1 Mires R W，王玉杰.液氢爆炸分析[J]. 低温与特气，1989(2)：14.

2 Ichard M，Hansen O R，Middha P，et al. CFD computations of liquid hydrogen releases[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012，37(22)：17380-17389.

3 Giannissi S G，Venetsanos A G，Markatos N，et al. CFD modeling of hydrogen dispersion under cryogenic release conditions[J]. International journal of hydrogen energy，2014，39(28)：15851-15863.

4 Shebeko Y N，Keller V D，Yeremenko O Y，et al. Regularities of formation and combustion of local hydrogen-air mixtures in a large volume[J]. Chemical Industry，1988，21(24)：728.

5 Hallgarth A，Zayer A，Gatward A，et al. Hydrogen vehicle leak modelling in indoor ventilated environments[C]. COMSOL conference. Milan，Italy. 2009.