负压空间内通风条件对氢气扩散影响的数值模拟研究

李 煜，刘彬彬，赵 丹，郭栋鹏，耿 楠

(1.中国辐射防护研究，太原 030006；2.中国人民解放军91515部队，海南 三亚 572016； 3.太原科技大学，太原 030024；4.北京创联智软科技有限公司，北京 100027)

前 言

在大气环境中，氢气是一种易燃、无色、无味的低密度气体，氢气/空气混合物的可燃范围为4%～75%v/v，爆炸范围为18%～59%v/v[1]。特定的空间受限场所内，氢气的泄漏与富集对人员健康及区域安全存在一定的隐患。为了探究负压空间内通风条件对氢气迁移扩散的影响，研究不同通风条件的影响程度，针对特定场所，开展不同通风条件下，受限空间内氢气泄露时迁移扩散规律的研究。

本研究采用计算流体动力学(CFD)方法[2-3]，针对特定场所，应用计算流体力学软件Fluidyn-Ventclim模拟其流场和浓度场，开展受限空间内轻气体意外泄漏时迁移扩散规律的研究。相对于物理模拟和现场试验，数值模拟具有其独特的优点：(1)研究成本低、周期短；(2)无实验仪器干扰；(3)能获得完整的数据；(4)能将计算情况在计算机屏幕上形象地再现[4-5]；(5)CFD数值模拟技术通常不受相似准则等条件的限制，并且CFD可以给出整个模拟区域内流场结构与污染物的扩散规律[6]。CFD模型借助于精确的三维建模和网格划分，可以有效解决物理模拟和现场试验中存在的缺陷。

近些年来，计算流体力学(CFD)技术在室内环境模拟方面得到了大量应用研究。刘婷婷[7]等对风管送风的数据机房进行数值模拟，分析其温度场和气流情况，并评估温度场对设备运行安全的影响。王烨[8]等通过利用CFD中的标准k-ε模型对某办公室在考虑非稳定传热情况下的室内气流组织和污染物浓度场进行数值分析，模拟了不同通风方式下的室内流场、温度场及污染物浓度场分布，得出更有利于降低室内污染物浓度的通风方式。吕洁[9]等对自然通风下的计算机机房进行数值模拟，对夏季机房舒适性做出分析，并给出空调设计建议。秦怡[10]等模拟了送风速度对层式通风房间空气品质的影响，得出了室内空气质量达到最好的条件。周勃[11]等通过CFD软件对会议室采用不同送风方式进行数值模拟，分析和比较不同送风方式对会议室内温度场、污染物浓度场和速度场的影响。

2006年，Venetsanos AG[12]等人在报道中详细介绍了1983年3月发生在瑞典斯德哥尔摩发生的实际氢爆炸的CFD模拟，利用不同的数值工具分别对氢排放、扩散和燃烧进行了数值模拟。其中，Schmidt D[13]等人利用FLUENT模拟了氢泄漏后的扩散行为，并将分析结果与事故细节进行比较，发现与实际情况表现一致。这表明，CFD技术提高了对城市环境中氢释放潜在风险的描述。

本次研究中所采用的CFD软件Fluidyn-Ventclim已通过建立立方体标准案例，并与实验结果进行比对，流场结果表明，数值模拟结果与实验结果基本吻合，验证了该模型的有效性[14]。

1 CFD方法简介

CFD是伴随计算机、数值计算技术的发展而发展的，是一门用数值计算方法直接求解流动控制方程来模拟实际流体流动规律的学科。基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动的情况。CFD作为现代模拟技术的一种，它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。广义的CFD包括计算水动力学、计算空气动力学、计算传热学等。

此次模拟研究采用计算流体力学软件Fluidyn-Ventclim，模拟受限空间轻气体泄露的流场及浓度分布，并探究不同通风条件对污染物扩散的影响及其规律。在开展本研究之前，我们已对该软件进行有效性验证，在相同的物理模型及边界条件下与STAR-CD的流场结果进行比对。

此次模拟研究采用计算流体力学软件Fluidyn-Ventclim，模拟受限空间轻气体泄露的流场及浓度分布，并探究不同通风条件对污染物扩散的影响及其规律。在开展本研究之前，已对该软件进行有效性验证，在相同的物理模型及边界条件下与STAR-CD的模拟结果进行比对。结果表明，二软件在流场模拟结果中整体趋势相同、风速大小相似；对浓度场模拟结果，二软件整体趋势相同，浓度等值面数值接近。

1.1 Fluidyn理论依据

Fluidyn对流体模拟采用k-ε湍流模型封闭N-S方程进行计算，选用湍流模型为双方程k-ε/RNG，双方程k-ε模型因为其收敛较快，且计算量相对较小的特点，目前在工程数值计算使用较多。

1.1.1 控制方程

1.1.1.1 物种守恒浓度

(1)

1.1.1.2 连续性方程

式(1)对所有物种求和，得到连续性方程(质量守恒)

(2)

1.1.1.3 Navier-Stokes方程(动量守恒)

(3)

1.1.1.4 能量守恒

(4)

1.1.2 湍流方程

采用k-ε湍流模型，其求解湍流动能k的输运方程及其耗散率ε方程为：

(5)

湍流k-ε模型常数：

Cμ = 0.09, Cε1 = 1.44, Cε2 = 1.92,

Cε3 = 0.63, Cεb = 0, σk = 1.0, σε= 1.3,

C1’ = 0, C2’ = 0, Rec = 122, Lmax = 1

考虑稳定，粘稠，湍流和可压缩的流动。

1.1.3 边界和初始条件

边界条件：

进风口：P = 1e + 05 Pa，T = 293.15K，湍流K.E = 1e-04，湍流长度标度= 0.00164，速度入口。

排风口：P = 1e + 05 Pa，湍流K.E = 1e-04，湍流K.E = 1e-04，湍流长度标度= 0.00164，压力流出。

无滑动壁：(U = V = W = 0)和绝热状态。

流场初始化如下：

压力=1e+05 Pa

速度(u，v，w)=(0.7,0,0) (m/s)

温度=298.15K

湍流动能=1e-04J/kg

湍流长度尺度=1.64e-03m

1.2 三维建模

以某受限场所作为本次研究对象，该场所由房间和走廊区域组成，房间的尺寸为17.9m×9.7m×8.7m，共设有8个进风口，总进风量为9 000m3/h，进风口分布在场所顶部；9个排风口，总排风量为10 800m3/h，排风口分布在侧墙近地面处；大门位于房间与走廊连接处，另有通风柜位于房间一侧0.9m×2.1m×1.6m，排风量为200m3/h。通风柜与排风口的作用类似，排风量远小于排风口的排风量。走廊区域为封闭状态。场所三维结构图如图1所示。

图1 三维结构图Fig.1 3d structure diagram

设置一点源位于该场所中央地面处，模拟源项发生泄漏时释放出氢气，泄漏孔径为0.114 5mm，泄漏率为8.33E-05kg/s，泄漏时间为60s，泄露方向为水平向里(即沿x轴正方向)。

初始条件设置为房间温度及进风温度为20℃，气压为100 000Pa。网格划分采用非均匀非结构化网格，网格总数为344万个，最小网格分表率约为0.05m。场所俯视图及网格俯视图如图2、图3所示。

图2 俯视图Fig.2 Vertical view

图3 网格俯视图Fig.3 Top view of grid

2 数值模拟与结果分析

2.1 案例设置

本场所中，房间的总排风量大于总进风量，房间处于负压状态。假设通风常开(包括进风口和排风口)，分别模拟大门和通风柜在开启和关闭状态下的流场和浓度场，比较开始释放后1小时(3 600s)模拟场所中的流场及浓度分布情况，考察负压状态下大门及通风柜的开启和关闭对氢气排出的影响，及对大门处气体通量的影响，见表1。

表1 案例设置一览表Tab.1 List of case settings

2.2 模拟结果分析

影响受限空间中氢气扩散的因素有很多，包括室内温度、进(排)风口位置及风速、送风量及送风温度等[11]。本文主要研究受限空间的门和通风柜在不同状态下，氢气的分布情况及其扩散规律。分别提取流场模拟结果和浓度分布图。

2.2.1 压力结果分析

以案例4为例，对大门及通风柜均打开的情况下源项开始释放后60s、600s、3 600s各时刻压力进行分析。

从图4可见，由于场所内总排风量大于总进风量，总体处于负压状态，当门及通风柜持续打开时，进、排风的压差不断增大，负压程度不断增强，因而场所压力随时间逐渐降低。该场所为长方体空间，且结构简单，当场所中的气流改变时，能在较短时间内达到稳定，因此不同时间下房间内的气压均分布较均匀。在后续的结果分析中选择3 600s作为场所通排风状态的分析。

图4 案例4中场所内不同时刻气压分布图Fig.4 Pressure distribution at different times in case 4

分别提取4个案例释放3 600s后不同通风条件下场所内的压力变化情况，具体结果如图5。

图5 各案例3 600s时刻压力分布图Fig.5 Pressure distribution of each case with 3 600s

从图5中可以看出，不同通风条件下，房间内的气压均分布较均匀，房间内不同位置处的气压差均小于1Pa；大门关闭(案例2、案例3)时，由于进、排风及通风柜的作用，房间内处于负压状态，气压明显高于大门打开(案例1、案例4)时的气压；通风柜打开时房间内的气压略高于通风柜关闭时的气压。比较各案例压力与流场分布特征，压力与流场分布特征一致。

图6为4种通风条件下气压随时间的变化情况。可以看出，氢气开始释放后，不同通风条件下房间内的气压均表现为不断降低，且变化趋势接近。大门打开时的气压变化情况一致，大门关闭时的气压变化情况一致， 说明通风柜的开关对房间内的气压变化并没有影响，而门的开关会影响房间内的气压变化。在氢气释放后的早期及数小时后，打开大门及关闭大门时，房间内的气压较为接近；而在此期间，存在一定差异，打开大门时房间内的气压较小。

图6 房间内气压随时间的变化情况Fig.6 Changes of pressure over time in different cases

2.2.2 流场结果分析

图7为大门开通风柜关、大门关通风柜关、大门关通风柜开、大门开通风柜开4种情况下，模拟场所内的整体流场分布图。从整体流场分布图中可以看出，不同通风条件下均能反映出，进、排风口附近的风速较大，由于房间顶部进风口的存在，空间内形成多个垂向的交替风速柱，且最大风速出现在该风速柱中。当大门或通风柜打开时，其附近的风速较大。

图7 整体流场分布图Fig.7 Distribution of the overall flow field

位于场所顶部进风口所在剖面的流场分布情况如图8所示，位于房间四周近地面处排风口所在剖面的的流场分布情况如图9所示。从进风口处的流场分布情况可以看出，空间内形成多个垂向的交替风速柱，且最大风速出现在该风速柱中；从排风口的流场分布情况可以看出，由于垂向风速柱及排风口的存在，水平剖面上呈现烟花状的流场分布，最大风速出现在风速柱中心及排风口处；由于房间内处于负压状态，进风风速高于排风风速。

图8 进风口处流场分布情况Fig.8 Flow field distribution at inlet

图9 排风口处流场分布情况Fig.9 Flow field distribution at outlet

分别比较不同通风条件对流场分布的影响。图10和图11分别为大门打开和关闭时其附近的流场分布情况，可以看出，打开大门时，房间进门处出现明显的涡流，且风速高于大门关闭时，说明大门的开关对流场的影响较明显。图12为打开通风柜时其所在水平剖面的流场分布情况，图13为关闭通风柜的流场分布情况，从剖面流场分布情况可以看出，通风柜打开时，通风柜的开启和关闭会影响局部流场分布，但对房间内的整体流场影响很小。

图10 开门状态下的流场分布Fig.10 Flow field distribution under the open door condition

图11 关门状态下的流场分布Fig.11 Flow field distribution under the close door condition

图12 打开通风柜时的剖面流场分布Fig.12 Flow field distribution in profile when opening fume hood

图13 关闭通风柜时的剖面流场分布Fig.13 Flow field distribution in profile when closing fume hood

2.2.3 浓度结果分析

图14(a)～(d)分别为整体浓度等值面图，通过比较释放1h后房间内氢气浓度的分布情况可以看出，不同通风条件下均表现出，在进风口所在垂直方向出现浓度柱，与整体流场结果表现一致。

图14 浓度等值面图Fig.14 Isosurface map of concentration

靠近大门一侧的氢气浓度较大，浓度最大值均出现在通风柜上方及靠近大门区域；当大门打开时，氢气浓度的最大值集中大门附近；当通风柜打开时，氢气浓度的最大值集中在通风柜上方区域。通过比较大门和通风柜对场所内氢气的扩散及分布情况可以看出，图14(a)和14(d)的分布形态较相似，图14(b)和14(c)的分布形态较相似,说明大门开关对氢气扩散的影响较明显，而通风柜的开关对氢气扩散的影响较小。

2.3 不同通风条件的影响分析

图15为不同案例氢气排出率随时间的变化。

图15 不同案例氢气总质量随时间的变化Fig.15 Changes of hydrogen mass over time in different cases

在释放早期，当大门关闭时，由于房间内的负压较高，氢气的排出效也较高；约10min后，打开大门时氢气的排出率略高于关闭大门时的排出效率。说明该通排风条件造成的负压状态下，释放早期关闭大门更有利于氢气的排出，10min后打开大门更有利于氢气的排出。

表2为开始释放1h不同通风条件下氢气的排出效率。可以看出，不同通风条件下房间内氢气的排出效率均在98%以上，其中，大门打开时的排出效率达到99%以上，说明打开大门更有利于氢气的排出；case1和case4的排出效率相同，case2和case3的排出效率相同，说明通风柜的开启和关闭对氢气排出效率的影响可忽略。总体上可以看出，大门的影响高于通风柜的影响，打开大门更有利于氢气的排出。

表2 释放1h后不同案例氢气的排出效率Tab.2 1 Hydrogen emission efficiency of different cases after 1h release (%)

图16为4种通风条件下房间内氢气质量随时间的变化情况，可以看出，大门的开启和关闭对房间内氢气质量的影响较明显，通风柜的开启和关闭对氢气质量变化趋势的影响很小；房间内氢气的质量在释放结束时达到峰值，且大门打开时的峰值是大门关闭时峰值的1.5倍；在开始释放10min内大门打开时的氢气质量高于大门关闭时的氢气质量，释放10min后，大门打开时的氢气质量低于大门关闭时的氢气质量，说明打开大门在氢气释放早期不利于氢气的排出，释放10min后更利于氢气的排出。

图16 不同案例氢气总质量随时间的变化Fig.16 Changes of hydrogen mass over time in different cases

3 结论与建议

利用CFD模拟软件Fluidyn-Ventclim对某负压场所内不同通风条件下氢气意外泄漏时迁移扩散规律开展研究，通过分析流场及浓度分布特征、房间内的气压变化情况及氢气排出率，探究不同通风条件对氢气排出的影响。

3.1 在本次的案例模拟中，压力场、流场模拟结果与轻气体扩散分布结果、关注点浓度结果是相符的，具备逻辑一致性，说明总体模拟结果有效。

3.2 比较不同通风条件的影响，门开关的影响明显大于通风柜开关的影响，且门开更有利于氢气的排出。

对于事故情况下的应急，可考虑采用最有利于氢气排出的通风方式；对于氢气高浓度聚集区域，如大门及通风柜附近靠近顶部，可考虑适当增加排风系统或适当增大排风量；另外，对于通风条件的改进，还需充分考虑泄露气体的物理特性调整进排风口的位置。