该文档属于类型a：报告了一项原创性研究。以下是基于文档内容撰写的学术报告。

关于室内空间车载高压储氢瓶泄漏扩散数值模拟的学术研究报告

本研究由干兵（四川省特种设备检验研究院、国家市场监管技术创新中心（氢储运加注装备））、徐朝阳（四川省特种设备检验研究院、西华大学汽车与交通学院）、赵冠熹（四川省特种设备检验研究院、国家市场监管技术创新中心（氢储运加注装备））、何太碧（西华大学汽车与交通学院）、贾瑞（西华大学材料科学与工程学院）、李鹏林（四川省特种设备检验研究院）和杜文（西华大学汽车与交通学院）合作完成。该研究成果以题为“室内空间车载高压储氢气瓶泄漏扩散数值模拟分析”（英文标题：Numerical simulation on leakage and dispersion from onboard hydrogen storage cylinders with high pressure in indoor environment）的论文形式，发表于2024年8月出版的《天然气技术与经济》（Natural Gas Technology and Economy）期刊第18卷第4期。

本研究旨在探究氢燃料电池汽车在室内车库等受限空间中，其车载高压储氢瓶发生意外泄漏时氢气的扩散与聚集行为。研究背景源于氢能作为一种重要的交通领域脱碳选择，其基础设施建设和氢燃料电池汽车应用日益增多。然而，氢气具有易泄漏、可燃范围宽、点火能量低等特点，在车载等复杂环境下易发生泄漏风险，国内外已有相关事故案例。因此，准确预测和理解受限空间内高压氢气的泄漏扩散特性，对于氢燃料电池汽车的安全发展、车库内氢气传感器布局优化、泄漏源快速定位以及风险评估至关重要。尽管已有研究通过实验或数值模拟探讨车库内氢气泄漏，但大多未充分考虑车载高压储氢瓶在泄漏过程中内部压力、泄漏流量等参数动态变化对扩散行为的影响。本研究旨在填补这一空白，通过耦合高压容器泄漏动力学与虚喷嘴（Virtual Nozzle）模型，更真实地模拟车载高压储氢气瓶的泄漏过程，并系统分析不同因素对室内氢气浓度分布的影响。

本研究的工作流程主要包括三个关键步骤：泄漏参数动态计算、数值模型建立与验证、多场景扩散模拟分析。

第一步是建立并应用高压储氢气瓶泄漏参数动态计算方法。研究首先采用了Schefer等人提出的虚喷嘴模型来描述高压氢气通过小孔泄漏时形成的欠膨胀射流。该模型基于质量和动量守恒原理，假设无粘性损失，通过在泄漏口上游定义一个“虚拟”的声速截面来计算泄漏口处的实际流量和射流状态。为了准确刻画泄漏过程中储氢瓶内状态的变化，研究将Abel-Nobel状态方程（一种适用于高压气体的真实气体状态方程）与泄漏动力学模型结合。具体流程为：针对一个容积为120升、初始储存压力为70兆帕（MPa）的车载储氢气瓶，设定不同的泄漏孔径（研究中考虑了半径1毫米和2毫米的泄漏孔）。计算过程将连续的泄漏离散为多个微小的时间步长，在每个时间步长内假设气瓶状态稳定。基于质量守恒和热力学第一定律，迭代计算每个时间步长内气瓶的剩余质量、压力、温度以及对应的泄漏质量流率。该计算持续到气瓶压力降至1兆帕时终止，以获得整个泄漏周期内泄漏流量随时间变化的曲线。为验证此计算模型的准确性，研究将其计算结果与日本大阪燃气公司的公开实验数据进行了对比。该实验使用了一个250升、40兆帕的储罐，并测量了在不同泄漏孔径（0.8毫米、1.6毫米和8毫米）下的压力衰减曲线。对比结果显示，本研究的计算模型能够较好地复现实验测量的压力变化趋势，验证了模型的可信度。

第二步是建立并验证用于模拟车库内氢气扩散的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型。研究依据《车库建筑设计规范》（JGJ 100-2015）建立了一个长33米、宽20米、高3.5米的标准中型地下车库三维物理模型，该车库可停放32辆汽车，设有两个车辆出入口。在车库中放置了一辆基于某氢燃料电池汽车外形尺寸建立的车辆模型（长4.3米，宽1.7米，高1.4米），并将高压储氢气瓶简化为位于车辆底部的泄漏源，泄漏方向垂直向下。使用ANSYS Fluent软件进行数值模拟，采用标准k-ε湍流模型，将氢气视为理想气体，并考虑重力影响。计算域的边界条件设置如下：泄漏口使用第一步计算得到的随时间变化的流量曲线作为“质量入口”（Mass Inlet）边界；车库墙壁、车辆表面、地面等设置为无滑移壁面（No-Slip Wall）；车库出入口设置为压力出口（Pressure Outlet）。为了精确模拟泄漏口尺寸的动态变化（因采用虚喷嘴模型，等效泄漏孔径会随瓶内压力变化），研究中使用了动网格（Dynamic Mesh）技术对泄漏口局部网格进行控制。整个计算域采用了混合网格，在泄漏口附近使用结构化网格以保证计算精度，在其他区域使用非结构化网格以节省计算资源，最终网格总数约为685万。在开展正式模拟前，研究对该CFD模型进行了验证。通过模拟William等人的经典车库氢气泄漏实验（在一个6.1m×6.1m×3.05m的车库中，以恒定流量83.3 g/min释放氢气），并将模拟得到的车库内不同高度监测点的氢气浓度随时间变化曲线与实验数据对比。结果显示，模拟曲线与实验数据整体吻合良好，特别是在泄漏初期；在泄漏后期，模拟浓度略高于实验值，分析原因可能是实际实验环境中门缝等处有空气渗入所致。该验证结果表明所建立的CFD模型能够较为可靠地预测车库内氢气的扩散行为。

第三步是基于已验证的模型，系统模拟并分析多种因素影响下的氢气扩散情况。研究设计了多组对比模拟工况，以探究三个关键变量：泄漏孔径大小（半径1毫米 vs. 2毫米）、泄漏车辆停放位置（车库中央 vs. 车库角落）、以及泄漏口初始射流状态（浮力主导 vs. 动量主导）。对于每种工况，模拟计算了从泄漏开始到足够长时间后车库内氢气浓度的空间分布和时间演化。为了定量分析，研究定义了“可燃氢气云团”（氢气体积浓度在4%至75%之间的区域）的体积和平均浓度作为关键评估指标，并在车库空间内设置了多个水平监测面，以分析氢气在竖直方向上的分布特征。

本研究的主要结果可归纳为以下几个方面： 首先，关于氢气扩散的基本行为模式。模拟显示，氢气从车辆底部泄漏后，首先在底盘与地面之间的狭小空间内横向扩散。由于氢气的密度远小于空气，在强烈的浮力作用下，氢气羽流会沿着车身两侧向上运动，在车顶上方汇聚成一股主要羽流，持续上升直至撞击车库天花板。随后，氢气在天花板下方横向扩散开来。定量分析发现，距离天花板最近的监测平面（P5）上可燃氢气云团的面积最大，达到417平方米，而靠近地面的平面（P1）面积最小，这表明泄漏后氢气主要聚集在车库上部空间，特别是天花板区域。这一发现对传感器布置具有直接指导意义。

其次，泄漏孔径的影响显著。模拟发现，泄漏过程中可燃氢气云团的体积并非持续增大，而是会出现一个峰值后逐渐减小。这是因为随着气瓶内压力下降，泄漏流量逐渐减小，而同时已有的氢气在不断扩散和流出车库。对于半径1毫米的泄漏孔，可燃云团体积在泄漏开始后约37秒达到峰值174立方米；对于半径2毫米的泄漏孔，峰值出现更早（约36秒），但峰值体积高达410立方米，是前者的2.4倍。尽管小孔径泄漏持续时间更长（180秒 vs. 46秒），但其在整个过程中形成的可燃云团体积始终远小于大孔径泄漏。这表明，更大的泄漏孔径虽然在更短时间内释放完氢气，但会在短时间内产生更大体积的可燃混合物，潜在风险更高。

第三，泄漏位置对氢气分布产生重要影响。当泄漏发生在车库角落时，由于两侧墙壁的阻挡作用，限制了氢气的横向扩散，导致氢气在角落区域更为聚集。模拟结果显示，角落泄漏时产生的最大可燃云团体积（370立方米）小于中央泄漏时（410立方米），但前者的平均氢气浓度却显著高于后者。这意味着角落泄漏更容易形成局部高浓度区，可能更快达到燃烧下限，增加了早期点燃的风险，且不利于扩散稀释。

第四，泄漏口射流状态（浮力主导 vs. 动量主导）决定了氢气的初始扩散路径。当泄漏初始速度较低，浮力起主导作用时，氢气的扩散如上所述，规律性较强，沿车身向上，最终在天花板呈圆弧形或半圆形（取决于泄漏位置）向外扩散。这种规律的扩散模式有利于通过布置在天花板的传感器网络来追溯和定位泄漏源。然而，当泄漏初始速度很高，射流动量起主导作用时（模拟中通过修改边界条件实现），情况变得复杂。高速射流会将氢气直接喷射到车辆底盘下的广阔区域，并从多辆车的缝隙中形成多股向上的氢气流。这导致天花板处的氢气分布杂乱无章，增加了泄漏源定位的难度。更重要的是，动量主导下会在车辆底盘下方形成大范围、持续的可燃氢气聚集区，峰值可燃云团体积达到445立方米。该区域靠近潜在的 ignition sources（如汽车启动时的电气火花），极大地增加了火灾爆炸风险。

基于以上结果，本研究得出以下结论： 1. 车载高压储氢气瓶在室内泄漏时，可燃氢气云团体积会先达到峰值后衰减，峰值体积与泄漏孔径正相关。 2. 泄漏孔径越大，短时间内释放的氢气量越大，形成的可燃云团峰值体积越大，危险性越高。 3. 车辆停放在车库角落发生泄漏时，由于空间受限，更容易形成高浓度、小体积的可燃云团，且扩散时间更长，风险不容忽视。 4. 泄漏口的流动状态至关重要。浮力主导的泄漏扩散模式规律，有利于传感器布局和泄漏源定位；而动量主导的泄漏则会导致氢气在车辆底盘下方大面积聚集，显著增加被点燃的风险，是最危险的泄漏场景之一。

本研究的科学价值在于，首次将高压储氢瓶泄漏过程的动态参数计算（结合虚喷嘴模型和Abel-Nobel状态方程）与全尺寸车库CFD扩散模拟相耦合，提供了更贴近真实车载泄漏情景的数值分析方法。其应用价值十分明确：为氢燃料电池汽车车库的安全设计、风险评估和应急预案制定提供了关键数据和理论依据。具体而言，研究指出传感器应优先布置在车库天花板，以有效监测浮力主导型泄漏；需特别关注车辆底部可能因动量泄漏形成的高风险区；在车库布局和安全管理中，需对角落停车位的泄漏风险给予额外考量。

本研究的亮点突出体现在：一是方法论上的创新，通过动态耦合泄漏源模型与扩散场模型，提升了模拟的真实性和准确性；二是研究内容的系统性，综合考虑了泄漏孔尺寸、车辆位置和射流状态这三个在实际安全评估中至关重要的变量；三是结论的实践指导性强，直接给出了关于传感器布置、风险区域辨识和泄漏场景分级的具体建议。这些发现对于推动氢燃料电池汽车在密闭空间环境下的安全应用具有重要的参考意义。

此外，研究在模型验证环节采用了公开实验数据进行对比，增强了研究成果的可信度。文中对虚喷嘴模型和动态网格技术的应用，也展示了解决此类可压缩流体瞬态泄漏-扩散耦合问题的有效技术路径。该工作为后续更复杂场景（如多车并存、通风影响、点火后果分析等）的研究奠定了良好的基础。