氢气CFD仿真应用：自燃及爆燃至爆炸-Converge-化学动力学-软服之家

氢能被誉为“终极能源”，其未来的产业化具有无限的想象空间。相比于石化能源，氢气具有零排放、火焰速度高、更高的热值，并且可以作为燃料电池成为动力源的替代方法。但氢气密度很低，需要高压或低温存储。无论是在存储、运输还是使用上都需要在设计上预防爆炸的风险。CFD作为一种低成本又可靠的预测工具，可以在应对上述挑战中发挥积极的作用。

氢气的燃烧状态主要经历如下三个状态：1. 自燃（Deflagration）：层流亚音速燃烧速度，中等超压；2. 自燃向爆炸的转捩（Deflagration-To-Detonation，DDT）：湍流和物理阻碍下的火焰速度，自给过程；3.爆炸（Detonation）：强烈的冲击波穿过未燃混合气，压缩并加热；火焰前锋以高于音速的速度跟随冲击。

针对上述状态和过程，CONVERGE选取了相应的应用场景和实验条件给出了CFD解决方案：

自燃：H2自着火案例

H2从一个高压容器中释放到空气环境，在通道中由于摩擦、冲击压缩和摩擦加热作用，H2很可能发生自燃。本案例通过仿真探讨自燃发生的条件，即不同的容器压力（见表1）。

表1 计算工况

	管道长度	容器压力 [atm]
case1	65mm	64
case2	65mm	96

CONVERGE的几何模型如图1所示。湍流模拟采用LES Smagorinsky模型，燃烧模拟采用SAGE详细化学反应求解方法，Burke[1]详细机理，壁面附近采用拉伸层网格来考虑近壁面效应。

图1 几何模型及条件

最终，两种工况下H2的流动及燃烧情况如图2所示。CONVERGE准确预测了容器压力在64 atm时管路内H2的未着火，容器压力为96atm时管路内H2发生着火。这一差别符合实验结果[2]。

图2 不同容器压力下的温度场变化

从仿真结果可以看到（如图3），H2的自燃首先发生在壁面附近，随着激波过程火焰移动到了管路中心。

图3 H2自燃过程

在阻塞管路中的DDT案例

根据实验条件[3]，在一段5400mm x 60mm x 300mm的封闭管路中存在7组阻碍物，阻塞比为60%，最左侧的壁面位置为点火源，如图4 。

图4 阻塞管路结构

管路内H2浓度为30%，在高度方向上不均匀分布（如图5 ）。

图5 管路高度方向H2浓度分布曲线

CONVERGE采用LES湍流模型和详细机理以及增厚火焰模型（TFM）来模拟湍流和燃烧。网格策略如图6，在点火位置附近以及阻塞壁面都采用局部加密至4.4e-5m，计算域主体更大网格尺寸为2.8e-3m，AMR自适应网格技术可以更高效的捕捉火焰前锋，温度和速度AMR最小网格尺寸为4.4e-5m。

图6 网格策略

阻塞管路中着火至爆炸过程如图7。

图7 H2燃烧过程

不同监控位置的压力值，CONVERGE仿真结果和实验结果保持了很高的一致性，如图8。

图8 不同监控点压力实验数据和仿真数据对比

总结

通过对H2安全性相关的应用场景下CFD模型的建立和验证展示了CONVERGE在此类场景中的预测能力。在不同的H2燃烧状态下，CONVERGE的仿真结果都和实验参考数据具有合理的吻合性。除此之外，氢能行业用户还在氢气储存和安全及低温条件等场景下积极采用CFD技术作为预测和评估手段。

参考文献：

1. Burke et al.,Int. J. Chem. Kinet. (44), 2008, pp – 444-474
2. Mechanisms of high-pressure hydrogen gas self-ignition in tubes, 2008; V.V. Golub.
3. Wang CJ et al. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42: 7657-7663.