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　　1.1 氢气泄漏与扩散

　　根据氢气泄漏源与周围环境大气压之间压力比值的不同，氢气泄漏可分为亚声速射流和欠膨胀射流。亚声速射流在泄漏出口处已经充分膨胀，压力与周围环境压力相等，气流速度低于当地声速，泄漏后的氢浓度分布满足双曲线衰减规律；欠膨胀射流在泄漏口处速度等于当地声速，出口外射流气体继续膨胀加速，形成复杂的激波结构，氢浓度分布也更为复杂。SNL通过试验研究了稳态氢气欠膨胀射流出口处的激波结构，并测量了马赫盘的位置，结果表明，马赫盘的位置只与喷嘴直径和压力比有关。Takeno、Okabayashi等通过试验测量了不同压力和泄漏孔直径下氢浓度的分布，给出了射流方向上氢平均浓度、浓度波动和可燃概率的经验计算公式。

　　由于欠膨胀射流真实浓度场的复杂性，氢气射流数值模拟研究通常采用“虚喷管”的方法进行简化，即假设所有气流均由一个等效于实际泄漏出口的虚拟管出口流出，出口压力与环境压力相等。Han等证明了虚喷管法计算得到的氢浓度分布满足双曲线衰减规律，但计算结果较真实值偏大。Andrei将直接数值模拟方法（DNS）与虚喷管法的射流计算结果进行对比，同样表明虚喷管法得到的可燃区域结果较DNS结果大30%左右。为了提高模拟结果的准确性，Tang等采用自适应网格细化技术（AMＲ），在泄漏口处采用DNS方法，使得计算结果与试验结果具有很好的一致性。

　　随着氢燃料电池汽车和小型储氢容器的市场化应用，很多学者针对氢在车库、隧道、维修站、储氢间等受限空间内的泄漏开展了大量研究。研究表明：当泄漏率一定时，受限空间内氢浓度的分布主要取决于空间受限程度和通风状况；氢在可通风室内空间泄漏后存在压力峰值现象，即使未被点燃仍会产生较大超压。近年来，压力峰值现象愈发受到科研人员的关注。Brennan等研究了储氢压力、超压泄放装置（PRD）直径、通风口大小对峰值压力的影响，并依据上述参数得出了判断峰值压力的工程算图；Makarov等开展了不同通风条件下氢在车库内的泄漏试验，验证了压力峰值CFD模型的有效性。另外，FCH2JU开展了室内氢泄漏的基础性安全研究项目，给出了泄漏事故的预防和后果减缓措施。

　　氢气泄漏与扩散研究主要面临的挑战如下：1）泄漏口形状、障碍物、氢浓度梯度及空气浮力对氢泄漏扩散的影响规律；2）基于虚喷管法的泄漏模型优化及多个通风口情形下峰值压力的预测方法；3）氢气/空气分层对PRD泄放过程的影响；4）氢发生多处泄漏时，不同氢射流之间的相互作用与影响。

　　1.2 液氢泄漏与扩散

　　液氢的意外泄漏扩散规律研究是保障液氢安全使用的重点。美国国家航空航天局（NASA）、德国联邦材料研究与测试学会（BAM）和英国健康安全实验室（HSL）都成功开展了液氢的大规模泄漏试验，得到了可燃蒸汽云浓度、地面温度、蒸汽云耗散时间等宝贵数据，其中HSL液氢试验形成的地面空气冷凝见图1。液氢大规模泄漏试验的模拟研究也在进行中，国内外很多学者建立了一系列液氢泄漏模型，并利用上述试验数据进行了模型有效性验证，同时研究了泄漏率、风速条件、大气压力、地面温度等参数对液氢可燃蒸汽云形成和扩散的影响。但由于液氢的复杂特性，其泄漏模型的建立比气态氢更为困难，现阶段仍不成熟，模拟结果与试验结果存在一定的偏差。除了大规模泄漏试验外，边界条件更明确的小型液氢泄漏试验对于模型的验证具有重要意义。卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的小型液氢泄漏试验表明液氢的浓度衰减速度小于气态氢。

　　图1液氢泄漏试验（HSL）

　　液氢泄漏与扩散研究主要面临的挑战如下：1）蒸汽扩散对液氢液池扩展、蒸发过程的影响及液氢闪蒸蒸汽分数的评估方法；2）考虑氢的非理想特性的液氢泄漏模型；3