儲氫長管拖車隧道燃爆事故演化機理研究1)

時婷婷 汪 侃 張思琪 褚樾煒

*(國家電投集團科學技術研究院有限公司, 北京 102209)

?(上海海事大學海洋科學與工程學院, 上海 201306)

**(國際商務區投資建設有限公司市政部, 浙江嘉興 314001)

《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》明確指出氫能是實現綠色低碳發展的重要載體，并要求在大力發展氫能制備、儲運和使用時堅持安全為先。當前，氫能在運輸方式上以長管拖車、液氫槽車/船和管道運輸等協同發展[1]。而在短距離城市運輸時，儲氫長管拖車是最普遍采用的運輸方式[2]。儲氫長管拖車在運輸期間途經公路特殊路段（如隧道）時，極易因駕駛員、車輛及環境等因素影響發生交通事故。高壓氫氣屬易燃易爆介質，一旦長管拖車在隧道內發生泄漏，將誘發火災爆炸等衍生災害，造成隧道結構破壞、群死群傷等嚴重后果[3-4]?；趦溟L管拖車在隧道內發生泄漏燃爆事故及其毀傷效應的特殊性，針對此類事故的形成機理和演化過程開展研究十分必要。

目前，高壓儲氫的城市道路運輸裝備以長管拖車為主，市場占有量超過80%。就儲運氫能的高壓裝備和設施而言，針對其事故風險程度、事故演化特征和事故區域形成的危害特點的研究廣泛受到關注[5-8]。Camila等[9]提出液氫泄漏事故鏈模型，有效分析了液氫儲運設備在不同場景中的風險因素，并改進了傳統失效模式和影響分析法。Yoo等[10]對儲氫裝備發生泄漏事故的風險等級及事故結果進行了定量風險分析，研究顯示液氫運輸車在運輸時發生泄漏事故是其中最易導致災難性的結果事件。Mair等[11]對氫能在道路運輸過程中運輸裝備的失效部件和失效概率進行定量計算，提出了新的氫能道路運輸安全管理方案。由于數值模擬工具在近幾十年事故分析中的卓越表現，數值模擬成為氫能儲運安全性基礎研究中采用的重要方法[12-13]。趙康等[14]利用CFD軟件模擬了受限空間內液氫泄漏擴散，研究顯示環境風力條件的提升會增大氫氣泄漏區域面積，從而增加氫氣爆炸的危害范圍。Yamada等[15]通過模擬發現氫氣在高壓氫能裝備泄漏時的自燃特性，研究闡釋了自燃演化和內在機理，并預測了不同工況下的點火位置變化。王振華等[16]基于Abel-Nobel狀態方程、火焰模型和輻射模型構建了高壓氫氣泄漏噴射火過程預測模型，Xie等[17]進一步討論了氫氣在具備縱向通風條件下的隧道內形成噴射火后的毀傷效應，研究發現通風因子極大影響溫度分層現象。Zhang等[18]通過模擬與實驗研究高壓氫氣在出口形狀不同場景中的事故性泄漏和爆炸效應，對比分析了爆炸沖擊波的演化特征。通過對研究現狀的分析表明，高壓儲氫長管拖車在儲運過程中發生事故具有特殊性，高壓儲存氫氣較其他介質的泄漏速率更快，更易在受限空間內形成積聚，從而存在更大火災及爆炸潛在威脅。然而，目前針對此類氫能裝備在城市隧道路段發生事故后的演化過程探究尚不足以支撐氫能安全應急保障。

基于此，本文運用高精度事故模擬軟件FLACS對儲氫長管拖車在城市公路隧道內泄漏、燃爆等事故演化過程開展研究。首先，通過FLACS構建三維模型真實還原事故場景，模擬儲氫長管拖車在隧道內發生泄漏的過程，進而獲得氫氣在隧道內泄漏的特征。其次，通過FLACS模擬獲得儲氫長管拖車在隧道內發生燃爆事故的演化過程，同時闡明演化機理。在此基礎上，本文探討了氫氣在隧道內燃爆特征參數的演化規律和影響因素，根據毀傷準則闡明儲氫長管拖車燃爆事故對人員、隧道結構及環境的危害等級。

1 數值模型的建立

1.1 物理模型與測點布置

本研究的物理模型及場景基于某事故現場確定，包括城市隧道、儲氫長管拖車、周圍建筑物、其他車輛等事故現場涉及元素。利用DIFFUSE模型來模擬儲氫長管拖車發生的氫氣泄漏動態過程，該過程的物質設置為Hydrogen，其組分根據儲氫長管拖車真實載運狀況設定。模型在事故發生區域內采用局部網格加密，隧道外部開放空間逐漸形成網格稀疏。本研究假定事故場景為儲氫長管拖車在隧道內受到后方車輛的追尾導致罐體閥門損壞，隨后發生氫氣泄漏和擴散，由于電氣短路形成電火花隨即引爆長管拖車的儲氫罐體。整個事故過程發生在隧道入口附近區域，因而由于氫氣爆炸形成的毀傷效應不僅會作用于隧道內砌體結構，同時也作用于隧道外側的建筑環境。根據研究所需，在三維模型中共設置55個基本監測點?；颈O測點將在模擬結果中輸出對應區域的氫氣濃度、爆炸壓力、火焰溫度等與事故參數相關的數據?；颈O測點布設呈水平排布，共5排，每一排監測點之間間隔10 m，每排監測點按編號大小依次由隧道外側向隧道內部布設。其中，監測點01～11代表沿隧道中心向內布設，距地高度與儲氫長管拖車一致。監測點12～22、監測點23～33分別沿著隧道左右兩側排布，與地面高度一致；監測點34～44、監測點45～55分別沿著隧道兩側頂部。詳細模型構建形式與監測點布設方式如圖1所示。

圖1 儲氫長管拖車隧道事故三維模型示意圖Fig. 1 3D model diagram of hydrogen long-tube trailer accident in tunnel

1.2 控制方程

FLACS數值模擬的基礎為流體動力學基本控制方程，包括連續性方程、動量方程和能量方程。方程描述了FLACS-CFD中可壓縮流體流動的數值模型，其中質量控制方程為

式中，t為時間，s；x為空間坐標，無量綱；u為流動速度，m/s；v和j為坐標方向；β為求解變量（即密度、動量、能量、組分等）；ρ為流體密度，kg/m3；V為流體體積，m3；m為質量流量，kg/s。

動量控制方程為

式中，p為壓力，Pa；σij為壓力張量，無量綱；gi為重力加速度矢量，m/s2；ρ0為初始壓力下的流體密度，kg/m3；fw, i為由壁面引起的流體流動阻力，J/kg；fo,i為由網格中障礙物引起的流體流動阻力，J/kg。

通過熱流密度和溫度梯度之間的線性關系，可充分描述溫度梯度下的分子輸運率，因而描述焓的輸運控制方程為

式中，h為焓，J；Q為單位體積的內熱源，W；σh為總焓輸運方程中的普朗特–施密特系數，無量綱。

氫氣質量組分的輸運控制方程為

式中，σfuel為氫氣輸運方程中的普朗特–施密特系數，無量綱；γair為理論空燃比，無量綱；Φ為氫氣的化學當量比；Yfuel為氫氣的質量分數；Rfuel為氫氣的化學反應速率，kg/(m3·s)；μeff為有效黏度

式中，Cμ為經驗系數，通常取值為0.09;k為湍流能，J;ε為耗散率，無量綱；μ為湍流黏度（渦流黏度）。

對于湍流的模擬采用k–ε模型和標準壁面函數。其中，k–ε模型作為一種渦黏度模型，包含兩個附加的輸運控制方程。一個用于湍流脈動動能k，另一個用于湍流脈動動能耗散率ε。湍流脈動會產生一個附加應力，計算時需將其與時均應變率關聯[19]。同時，基于Boussinesq的假設，有

本模型中所采用的預混湍流燃燒模型將湍流火焰的傳播速度表示為湍流燃燒速度，由數值火焰區擴散速率和反應速率計算獲得。為此，需對質量分數守恒方程中的擴散系數和源項進行建模?；鹧婺Ｐ投x燃燒的標準和跨越數值火焰區反應速率的空間分布，其控制方程為

式中，D為FLACS火焰模型中定義的擴散因子；Cβ,R為模型常數；S為燃燒速度，依賴于實時流動狀態；Δ為與網格大小相關的常量；c為過程變量；Y0為初始控制體中的可燃介質質量組分。

1.3 初始及邊界條件

本模擬設定事故區域的儲氫長管拖車每個儲氫瓶長度為10 m，直徑為0.5 m。儲氫瓶總數9個，工作壓力為20 MPa，總充裝氫氣3 500 Nm3。拖車內介質（氫氣）的物性參數：密度為0.089 kg/m3，臨界溫度為零下239.9℃，臨界壓力為1.313 MPa，汽化熱為305 kJ/kg，比熱比為1.4，熱值為140 MJ/kg，爆炸極限為4%～75%。本次事故模擬設定環境溫度為20℃，平均濕度設定為81%，大氣穩定度C。環境平均風速設置為3.5 m/s，氫氣泄漏方向的邊界條件為“WIND”，其余方向為“Plane-Wave”。初始湍流強度設為0.1，湍流長度尺度0.01 m。事故泄漏源位置位于長管拖車閥門處，泄漏源直徑設定為100 mm，泄漏初始狀態為氣/液兩相。點火源設定在儲氫長管拖車后方車輛車頭，模擬真實事故中車輛因追尾導致位于發動機正極多股銅芯線絕緣層破損，進而導致導線與輸油泵輸油管管頭空心螺栓發生電氣短路而形成電火花。

2 結果與分析

2.1 儲氫長管拖車隧道內外泄漏擴散規律

模擬場景中的風場達到穩定狀態，故設定儲氫長管拖車的一個氣瓶在模擬開始后1 s發生泄漏，泄漏時長設定為20 s。圖2為儲氫長管拖車氫氣泄漏擴散區域的三維云圖，圖中顯示氫氣從長管拖車氣瓶泄漏后，一部分由于風力作用向隧道內部擴散，另一部分在靠近事故發生位置的開放空間內擴散。由于在隧道內部擴散速度與環境風速存在正相關，且模擬事故中風力條件為1～2級，因而在氫氣向隧道內部擴散的初期階段速度相對較慢。當泄漏發生20 s以后，氫氣逐漸充滿整個隧道頂部空間，該區域存在極高的爆炸危險性。位于隧道底部的監測點顯示氫氣濃度非常低，未達到氫氣爆炸極限濃度。氫氣從隧道口擴散開后，由于氫氣密度較低，幾乎無法快速向左右兩側空間蔓延，因而始終呈現豎向擴散。同時，泄漏氫氣卷積并與周圍空氣混合形成的混合可燃氣流，呈現羽流特性。由于隧道外部屬于開放空間，存在大量的助燃性介質補給，因而氫氣濃度在擴散過程中一直維持在28%～32%的范圍內。圖3為儲氫長管拖車在隧道內發生泄漏后，氫氣泄漏濃度X-Z切面圖，該二維切面圖顯示氫氣濃度在隧道豎向和水平方向變化。泄漏氫氣在極短時間內覆蓋泄漏源附近車輛，隧道中的一定區域內氫氣濃度值很快達到70%以上。圖2和圖3中顯示隧道外側若存在覆蓋物或障礙物，將導致氫氣擴散行為變化，并可能增加氫氣在空間積聚，形成可燃性氣云團。在城市隧道車輛事故場景中，往往存在高溫、明火、電火花及靜電等典型引燃源，當引燃能量達到0.2 mJ以上即可引爆泄漏氫氣所形成的可燃混合氣云團，導致災難性的氫氣混合氣云爆炸。

圖2 儲氫長管拖車氫氣泄漏擴散三維云圖Fig. 2 3D dispersion diagram of hydrogen long-tube trailer

圖3 儲氫長管拖車氫氣泄漏濃度X-Z切面圖Fig. 3 Hydrogen concentration slice(X-Z) of hydrogen long-tube trailer

2.2 氫氣隧道爆炸沖擊波傳播特征

圖4為儲氫長管拖車隧道爆炸沖擊波傳播過程。儲氫長管拖車發生泄漏后經歷了氫氣混合氣云團初始引爆、爆燃波形成、爆燃轉向爆轟、沖擊波穩定傳播及衰減至聲波五個階段。首先，儲氫長管拖車發生泄漏后氫氣混合氣聚積在隧道內部，引燃爆炸后在瞬間伴隨劇烈壓力和溫度變化，形成高溫高壓的爆炸沖擊波。隨后在極短時間內，爆炸物理產物會裹挾爆炸波迅速朝外擴張，當沖擊波傳遞至一定距離后，爆炸產物會與爆炸波分離，停止向外做功，此時爆炸波開始獨自朝四周擴散。爆炸沖擊波單獨傳播的衰減速度很快，產生低于一般大氣壓的負壓區，而在負壓狀態持續一段時間后，沖擊波大小最終趨于大氣壓。爆炸波超壓峰值和波面傳播速度在傳播過程中會呈現下降趨勢，形成該傳播衰減現象是由于爆炸沖擊波在隧道空間傳播的幾何特征影響。圖4可知儲氫長管拖車爆炸產生的沖擊波向隧道內部傳播與分布情況。由于隧道內部存在若干輛駐留車輛，對沖擊波向隧道內部傳遞形成障礙，促進火焰加速，使得火焰陣面與前驅壓力波陣面重疊。在此場景下，爆燃波將轉為速度更快、壓力更高的爆轟波。此時，沖擊波傳播速度可達1 400 m/s以上。在隧道一側開放空間處，沖擊波以球形空間的形式向四周擴散，球形表面積以傳播半徑二次方的速率上升，故在該空間的波陣面上，單位面積的能量隨著沖擊波傳播距離的增加而急劇下降。此外，開放空間內沖擊波傳播擴散中存在能量逸散損失，爆炸產物等壓縮空氣推動沖擊波的過程中有部分機械能會轉化為熱能，這導致爆炸沖擊波超壓出現上述傳遞與衰減的特征。

圖4 儲氫長管拖車隧道爆炸沖擊波傳播過程Fig. 4 Propagation process of shock wave induced by hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel

圖5為儲氫長管拖車爆炸沖擊波形成的超壓在隧道底部、中心和頂部三個水平方向上分布情況。長管拖車發生泄漏后形成大面積氫氣混合氣云團，引爆后產生的爆炸產物能量巨大。圖5(b)表明最快達到峰值超壓的監測點為MP 03和MP 04，由于兩個監測點與泄漏源的位置相對較近。隧道中心方向上可達峰值超壓為288 kPa，根據超壓毀傷準則[4]可知，在此環境下可致使人員完全死亡，鋼結構產生大幅度位移且徹底破壞。爆炸中心兩側駐留車輛形成障礙物，導致爆炸沖擊波在正壓作用后形成短時間的負壓。隨后，受爆炸沖擊波在隧道地面、頂部和車輛之間反射影響，超壓–時間曲線呈現正負交替的變化情況。圖5(c)表明在514.4 ms時隧道頂部區域最大超壓值為492 kPa，將造成隧道內結構完全破壞和車輛大面積形變。

圖5 儲氫長管拖車隧道爆炸超壓變化Fig. 5 Overpressure changes of hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel

2.3 氫氣燃爆火焰傳遞特征與毀傷作用

儲氫長管拖車在隧道內發生燃爆產生強烈熱毀傷效應是此類事故的重要表征，其形式為高溫灼傷現場人員和高溫促使結構發生熔融形變。隧道內存在駐留車輛、電氣設備等，爆炸高溫和燃燒火焰進一步誘發更大規模災害。由于儲氫長管拖車燃爆的突發性很強，爆炸源處近地面區域內產生火焰和高溫擴散速度極快，且波及范圍非常廣。根據儲氫長管拖車燃爆形成的高溫可判定一定范圍內人員和結構受到的熱毀傷作用程度。本研究中，儲氫長管拖車形成的局部爆燃與瞬時高溫造成隧道內部結構局部或整體永久性變形。同時，氫氣爆炸產生的高溫火焰也將造成事故現場人員傷亡和財產損失。圖6為隧道內發生儲氫長管拖車燃爆過程伴隨爆炸沖擊波和燃燒火焰波的動態過程。受到半封閉隧道空間內的邊界條件制約，存在沖擊波超壓和爆燃火焰的正反饋作用，該過程還伴隨壓力波和火焰波的耦合作用。長管拖車在隧道內爆炸時，位于火焰鋒面前后的已燃區和未燃區，分別產生方向相反壓力波。燃燒火焰在兩個壓力波的共同作用下，伴隨大量能量釋放，且穩定向前進行傳播。隨著爆炸過程的發展，火焰鋒面和未燃區的壓力波持續向隧道出口方向的未燃區傳播，而已燃區的壓力波距離隧道入口處很近，促使其向入口外側的開放空間傳播。

圖6 儲氫長管拖車隧道爆炸火焰傳遞過程Fig. 6 Flame propagation of hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel

圖7為隧道底部、中心和頂部區域內的溫度場隨時間變化情況。位于隧道底部區域內的溫度變化曲線隨著爆炸事故的發展呈現先急劇上升，后快速下降，最后在不同位置出現差異性變化的特征。數據顯示，溫度場在位于隧道頂部區域內的溫升速率明顯快于靠近隧道底部區域，且最高溫度達到2 364.3 K。這表明在隧道頂部空間內，大量氫氣擴散形成的可燃混合氣體聚集，在燃爆發生后化學反應充分，反應速率很快，產生較高的區域溫度場。位于隧道中心水平方向上的溫度值始終很高，該區域的駐留車輛將在超過2 500 K以上的高溫炙烤下嚴重受損。通過隧道地面、側面和車輛反射所形成的壓力波對火焰鋒面顯然具有較強的擾動，導致火焰向隧道深部加速傳播。這是湍流和化學反應相互作用下的結果，湍流引起速度、溫度和濃度脈動，提升了平均化學反應率和火焰傳播速度。反之，燃爆產生的密度變化和脈動又影響著湍流程度。隨著時間的推移，火焰傳播速度和溫度值均顯著減小?；鹧驿h面、壓力波和未燃介質的耦合作用將會伴隨燃燒火焰在隧道內的持續發展，期間的火焰傳播速度會出現振蕩波動現象。由于向隧道入口一側傳播的壓力波已經在開放空間存在泄壓現象，因而對于向隧道內傳遞的火焰速度并無明顯的促進作用。但是，爆燃火焰在開放空間內傳播時，易引燃后續車輛的油箱或周圍環境可燃物等，造成一系列衍生災害。

圖7 儲氫長管拖車隧道爆炸溫度場分布Fig. 7 Temperature distributions of hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel.

3 結論

本文通過構建三維事故場景模型，對儲氫長管拖車在城市公路隧道發生泄漏和燃爆事故開展模擬研究，基于模擬所得與儲氫長管拖車隧道事故相關參數開展深入分析，得到以下結論。

（1）氫氣從長管拖車泄漏后，其中一部分由于風力作用向隧道深部擴散，另一部分向鄰近的隧道入口外側擴散。泄漏初期由于氫氣的比重較低，氫氣泄漏至空氣中更容易向上擴散，積聚在隧道頂部。泄漏后期氫氣從隧道口擴散開后，幾乎不向左右兩側的空間蔓延，而是始終呈現豎向擴散趨勢。

（2）儲氫長管拖車燃爆產生的熱量擾動隧道內的未燃混合氣體，使其不斷燃燒進而形成大量氣相膨脹，隧道內部產生的壓縮空氣層構成爆燃波。由于隧道內尚存一些駐留車輛，加之原有設置的設備，構成邊界約束條件增強沖擊波的傳播速度和峰值超壓。

（3）在隧道底部區域內形成的溫度變化隨儲氫長管拖車爆燃事故發展出現先急劇上升，后快速下降，最后在不同位置呈現差異性變化的特征。位于隧道頂部區域的溫升速率明顯快于隧道底部，且最高溫度更高，表明由長管拖車泄漏出的大量氫氣擴散形成可燃混合氣體在隧道頂部聚集，燃爆時的化學反應速率快，產生更高的區域溫度場。

（4）隧道地面、側面和車輛反射形成壓力波對氫氣燃爆火焰鋒面具有較強擾動，使火焰向隧道深部加速傳播，火焰鋒面、壓力波和未燃介質的耦合作用伴隨毀傷作用在隧道內發展，期間沖擊波超壓和火焰傳播速度會出現振蕩波動的現象。