为车辆氢气泄漏的急救人员提供主动应急响应策略
摘要：
化石燃料在汽车中的广泛使用已成为一个问题，特别是考虑到最近频繁发生的自然灾害，促使人们转向环保汽车以减少温室气体排放。这种转变在氢能汽车注册率的快速增长中显而易见。然而，随着氢能汽车在道路上的增加，预计相关事故也会相应增加，这给急救人员带来了新的挑战。在这项研究中，进行了计算流体动力学分析，为急救人员制定有效的响应策略，以应对车辆事故中的高压氢气泄漏。分析表明，在没有鼓风机干预的情况下，泄漏的氢气产生的蒸汽云爆炸会产生超过 13.8 kPa 的超压，可能对急救人员造成直接伤害。如果发生氢能汽车事故需要紧急救援活动，则必须选择适当的响应策略。使用鼓风机可以通过降低蒸汽云爆炸的风险来帮助制定各种策略。因此，本研究为氢能汽车泄漏场景中的急救人员提供了量身定制的响应策略，强调了事故现场情景评估的重要性。
关键词：应急响应;急救员;燃料电池汽车事故;氢气泄漏;TPRD;事件响应
1. 引言
在全球气候危机中，人们越来越重视采用环保能源。值得注意的是，交通运输部门已被确定为温室气体排放的主要贡献者，占加剧全球变暖的排放量的 28% [1]。在美国和韩国等国家，目前超过 90% 的汽车使用汽油和柴油等化石燃料。因此，包括电动、混合动力和氢能车型在内的环保汽车的推广势头强劲，导致相关行业的显着增长。例如，在韩国，环保汽车的注册率从 2014 年的 0.7% 飙升至 2023 年 11 月的 8% [2]，其中电动和混合动力汽车在增长中占主导地位。尽管氢能汽车的普及率相对较低，但其增长率是最快的。这些车辆注册量的增加意味着急救人员可能会遇到涉及氢能汽车的事故，与传统的内燃机或电动汽车相比，这带来了独特的挑战。根据韩国交通事故统计数据，车对车碰撞占事故的大部分，占 78.8%，其次是车对人事故（17.3%）和单车事故（4.2%）[3]。在车对车事故中，侧面碰撞占主导地位，占 44.6%，追尾碰撞位居第二，占 22.9%。涉及氢能汽车上路的场景包括一系列事故，例如与内燃机汽车相撞、氢气管道损坏导致泄漏、内燃机汽车起火导致的热激活泄压装置 （TPRD） 触发泄漏或喷射火焰，以及影响 TPRD 的交通事故导致的容器爆炸 [4]。关于氢气作为燃料的安全性，已经记录了几种涉及氢气等易燃气体的事故，包括气体泄漏、高压喷射火焰和泄漏气体延迟点燃引起的爆炸。气体泄漏尤其严重，因为它们通常先于爆炸或喷射火焰发生[5,6]。
Yu 人深入研究了氢气从 70 MPa 储存容器泄漏到车辆内部的相关风险 [7]。他们的研究结果表明，进入车辆的气体量受到外部风况的显着影响，尤其是当天窗和车窗打开时。他们观察到，当车速低于 60 公里/小时时，由于氢气向外部的自然扩散不足，因此必须疏散乘员。另一项调查加氢站蒸汽云形成的研究显示，较高的风速会导致氢云在低空快速广泛扩散，从而增加潜在风险 [8]。Li 等人还报道了从充电站泄漏的氢气的扩散长度随风高的变化而变化，并指出在靠近地面的风速较慢的区域，风险会增加 [9]。Cui 等人进行了一项数值分析，以评估隧道事故中氢气泄漏导致的易燃蒸气云大小的变化 [10]。隧道尺寸为 7.5 m 宽、6.4 m 高和 60 m 长。他们的研究表明，当泄漏指向隧道底部时，会形成更大的易燃区域。值得注意的是，沿隧道长度的通风对蒸汽云的形成有显着影响。Han 等人发现，如果氢气在安装了喷射风扇的隧道内以高压泄漏，则当氢气以 45° 而不是从地板垂直排放时，危险区域会更小 [11]。另一篇文章指出，在隧道内，可燃蒸气云的大小随着风力强度的增加而减小，但在超过一定风速后保持不变 [12]。此外，一项研究调查了停在分隔地下空间的氢能汽车中由于 TPRD 运行而产生喷射火焰后室内空间的风险，表明将 TPRD 出口角度保持在 45° 或更小更安全 [13]。这种方向将救援行动期间对乘客的风险降至最低，因为垂直于地板排放的喷射火焰会造成更大的危险。在氢能汽车氢气管道中的 1/4 英寸管接头发生泄漏的情况下，氢气浓度分布很低，为 1–2% vol，并且高度依赖于环境风 [14]。
尽管正在积极研究氢能汽车事故或故障导致的氢气泄漏相关风险，但专注于此类事件的初始响应者有效和安全的响应策略的研究是有限的。对不同风强下氢能汽车低压泄漏氢气扩散程度的实验表明，当风速为 10 m/s 或更高时，燃烧范围超过极限 [15]。Liu 和 Christopher 研究了氢能汽车发生气体泄漏时急救人员的最佳接近方向，并注意到风向对气体扩散的影响 [16]。他们的研究结果表明，当风从前部而不是侧面吹时，从车辆下部中心泄漏的气体会更有效地分散。这一特性归因于飞行器较宽的侧面，这促进了涡流的形成，导致更密集的蒸汽云。
在欧洲，一项认知调查显示，公众认为氢能与其他能源一样安全 [17]。英国一项针对氢能汽车事故应对策略的急救人员调查显示，尽管 60% 的人知道可能出现看不见的喷射火焰，但 70% 的人没有应对氢能车祸的经验 [18]。在氢能汽车的道路安全方面，储氢容器已被确定为比燃料电池和管道系统具有更大的危险 [6]。然而，专注于氢能汽车中常用的高压容器的泄漏情况的研究仍然很少。本文的第 2 节描述了计算流体动力学方法和分析中使用的氢能车辆，数值分析的结果在第 3 节中介绍。第 4 节讨论了易燃蒸气云的危险以及基于这些结果的安全事故响应策略。
在大韩民国，消防员的任务是进行初步救援和急救行动。他们的职责超出了这些主要职责，包括各种特定于现场的救援任务，例如在火灾事故中。消防员使用的工具之一是便携式鼓风机，它有助于在火灾事故期间从隔间中排出烟雾。本研究探讨了鼓风机和抑制方法作为安全有效的氢气汽车泄漏应对措施的潜在应用。在氢能汽车使用量增加的背景下，这种类型的调查对于加强急救人员的准备和安全协议至关重要。
2. 氢能汽车气体泄漏模型
2.1. 事故场景
N 型是韩国市场领先的氢能汽车，具有三个 IV 型储氢容器，每个容器的容量为 52.2 升，位于车辆底部。这些容器总共可容纳约 6.3 kg 氢气，总体积为 156.6 L。它们并联排列，从车辆后部的行李箱延伸到后排座椅下方，它们之间的距离约为 500 毫米。如图 1a 所示，每个储氢容器都配备了一个 TPRD，该 TPRD 在大约 110 °C 时激活。 该设计确保排出的氢气垂直于地面排出，如图 1b 所示。
图 1.氢气罐和 TPRD 通风方向：（a） 安装在氢气罐附近的 TPRD，以及 （b） 燃料电池电动汽车 （FCEV） 中的氢气罐位置。
本研究对涉及 N 模型的假设场景进行了建模，以评估对车辆存储容器中通过 TPRD 的高压氢气泄漏的有效响应策略。这辆车长 4.67 m，宽 1.86 m，高 1.64 m。泄漏流速是使用 HyRAM（一个全面的氢气安全评估工具包）计算的。如表 1 所示，计算基于 20 °C 的温度、70 MPa 的容器压力、52.2 L 的存储容量和 1.8 mm 的 TPRD 泄漏直径。泄漏开始时的初始流速估计为 0.102 kg/s。
表 1.氢气罐模型参数。
在氢能汽车事故中，如果 TPRD 操作期间直径为 1.8 mm 的喷嘴发出喷射火焰，则对急救人员或疏散人员构成直接危险的区域会延伸到距泄漏点约 5 m 的半径。值得注意的是，配备储氢容器的车辆后部可能会承受 37.5 kW/m 的严重热流率2或更高，导致重大损伤 [19]。因此，在事故情况下，急救人员应从对角线方向接近车辆前部。根据这一安全考虑，在本研究中，将鼓风机放置在距离氢气泄漏现场对角线 5 m 处，以评估其在这种情况下降低风险的有效性。
烟雾是建筑物火灾中造成人员伤亡的主要原因，因此需要在消防员的设备中加入鼓风机以排出建筑物中的烟雾。这些鼓风机在火灾现场的烟雾管理中发挥着至关重要的作用，无论是通过增加内部压力以将烟雾排出，还是直接将其排出。根据韩国消防设备标准，鼓风机的流量在 16,000 m 之间变化3/h 和 48,000 m3/h，具体取决于制造商 [20]。在本研究中，流量为 40,000 m 的鼓风机3/h 被选中，特别是 ESV230 NEO 型号，这是一款螺旋桨直径为 420 毫米的便携式电动鼓风机。
2.2. 数值方法
在气体从高压罐泄漏到大气中的情况下，由于罐内部与外部环境之间的压差而产生复杂的冲击波，从而导致流速变得独立于外部大气压的窒息效应。自从 Birch 等人首次提出伪直径分析方法 [21] 以来，这一概念已被广泛使用。由于这些现象的复杂性，一般的数值分析方法往往无法收敛。因此，许多研究采用了伪直径方法，该方法通过使用质量和动量守恒原理简化了窒息流的分析。这种方法广泛用于分析各种高压气体（包括氢气和碳氢化合物）的泄漏和喷射火焰。Park等人通过比较不同TPRD安装角度下的喷射火焰行为来分析风险，并应用伪直径方法来估计TPRD泄漏的高压氢气[19]。Li 等人提出了一种新的概念喷嘴模型，并通过将其实验结果与其他假设喷嘴模型的实验结果进行比较来提出所提出的模型的适用性。Spalart-Allmaras 模型用作计算流体动力学 （CFD） 仿真的湍流模型;直接考虑阻塞流的 CFD 模拟和概念喷嘴模型产生的结果与实验获得的结果相似 [22]。Houf 和 Schefer 提出了一种数值模型，该模型不仅可以预测现有高压氢气泄漏的泄漏模式，还可以预测由于相对低压下泄漏而导致浮力影响相对较强的区域的泄漏模式，并将其结果与实验结果进行了比较。为了简化超临界阻塞流释放，使用了一种有效的源直径方法 [23]。Yu 等人比较了氢射流火焰的火焰传播距离对不同高度的阻挡墙的影响。为了降低 90 MPa 高压氢气泄漏的计算复杂性，考虑了一种基于质量和动量守恒的名义喷嘴方法 [24]。
在这项研究中，我们采用 CFD 技术定量分析了在高压下通过 TPRD 泄漏的氢气和蒸汽云的分散范围。为了简化对泄漏的高压氢气阻塞流的分析，该研究采用了伪直径方法。CFD 分析采用商业软件 ANSYS Fluent 2023 R2 [25]，涉及求解质量、动量、能量守恒和化学物质传递的非线性联立偏微分方程。这些方程的一般形式如下：
(1)方程 （1） 表示质量守恒方程，其中𝜌表示流体密度，u表示流体的速度矢量，并且Sm对应于质量生成项 [25]。
方程 （2） 阐明了动量守恒方程 [25]。在这种情况下，t 象征时间，p 代表压力，而𝜌g表示引力项。此外F是由于外力引起的生成项，并且𝜏表示应力张量项。
方程 （3） 概述了能量守恒方程 [25]。这里keff定义为 k（电导率）和 k 之和t（湍流热导率）。Jj表示分量 j 的质量扩散通量，并且Sh是归因于化学反应的生成项。为了对湍流进行数值分析，该研究采用了雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 方程。这些方程通过将流体速度和标量分解为平均分量和湍流方差分量来模拟湍流。然后为平均分量制定控制方程，并计算湍流方差分量的影响。在涉及密度变化的情况下，RANS 方程被解释为 Favre 平均 Navier-Stokes 方程，其中密度随时间平均，速度和标量是质量加权平均值。该分析利用了经过验证的 SSTk−𝜔湍流模型，因其在湍流现象中的应用而得到广泛认可。为了模拟通过鼓风机的流动动力学，动量相当于 40,000 m 的流速3/h 应用于与鼓风机风扇对应的区域。针对每种分析条件执行此步骤，根据鼓风机角度的方向而变化。
图 2 说明了用于分析的氢能汽车的形状和网格结构。为了检查泄漏到周围环境中的氢气的分布，以矩形平行六面体的形式配置了一个数值分析空间。这个空间长 100 m，宽 60 m，高 25 m，源自氢气容器上的 TPRD 位置。为了关注与车辆接近程度的风险，定义了一个半径为 5 m、距离 TPRD 喷嘴高度为 3 m 的内部区域。对于计算收敛性，生成的网格的最大和平均偏度值分别保持在 0.84 和 0.16。此外，使用扫描方法在车辆附近创建了大约 1.2 到 164 万个网格。
图 2.FCEV 示意图：（a） 计算网格和 （b） 氢蒸气云计算区域。
该研究为鼓风机的每个安装角度设置了不同的条件，以评估在氢气汽车泄漏事故期间鼓风机位置的变化如何影响易燃区域。如图 3 所示，鼓风机角度定义为相对于泄漏点和车辆左侧顺时针旋转，倾斜角度定义为鼓风机和泄漏点之间的逆时针旋转。第一个场景，案例 1，是为了评估在没有安装鼓风机的情况下的风险。鉴于喷射火焰事故期间最安全的接入点是车辆的斜前方[19]，鼓风机以15°的间隔放置，相对于车辆侧面的比例为30°至75°;这些配置被设计为 Cases 3 到 6。此外，还引入了案例 2 来检查鼓风机不直接对准泄漏点的情况，涉及在鼓风机方向上逆时针偏置 5°。表 2 总结了这些分析的具体条件。
图 3.鼓风机位置参数的定义。
表 2.氢气泄漏模型。
3. 建模结果
高压氢气泄漏后，由于氢气具有很强的线性轨迹，与地板碰撞而不是浮力上升，因此在车辆周围会形成一个易燃区域，如图 4a 所示。鉴于氢气的低比重，浓度主要在底部附近较高，然后逐渐向上扩散，在上层变得不那么密集。如果鼓风机没有直接指向泄漏点，如图 4b 所示，则会在车辆的另一侧形成一个相对较大的易燃区域。如图 4c-f 所示，当鼓风机角度以 30° 的间隔从 75° 变化到 15° 时，可燃区域迅速缩小并沿鼓风机的风向蔓延。当鼓风机角度为 45° 时，如图 4d 所示，氢气的扩散相对较慢。这种现象归因于鼓风机风撞击车辆车轮产生的涡流。
图 4.相对于鼓风机位置的氢气浓度：（a） 情况 1;（b） 案例 2;（c） 案例 3;（d） 案例 4;（e） 案例 5;（f） 案例 6.
图 5 显示了情况 2 和 3 中鼓风机中心部分的速度场。由于鼓风机倾斜角度相差 5°，情况 3 在 TPRD 周围表现出超过 20 m/s 的高速场，而情况 2 在车辆外部表现出高速场。鼓风机角度的差异和轮胎引起的几何效应意味着情况 2 中 TPRD 释放的氢气没有被鼓风机有效分散。因此，案例 2 的可燃区域大约是案例 3 的 10 倍。
图 5.车辆周围的风速：（a） 情况 2 和 （b） 情况 3。
表 3 显示了在指定内部区域（距 TPRD 喷嘴半径 5 m 和 3 m 高度）内涉及鼓风机的不同情况下可燃蒸气云的大小。当鼓风机角度为 30° 时，氢气的扩散范围最广，其次是 60°、75° 和 45°。这些角度之间存在边际差异，与不使用鼓风机相比，扩散减少了约 90%。相比之下，在鼓风机方向与泄漏点成 5° 的情况下，情况 2 的可燃区域比鼓风机角度相同的情况 3 大 10 倍，比未使用鼓风机的情况 1 小 43%。因此，在使用鼓风机应对氢气泄漏事故时，准确识别泄漏点至关重要。
表 3.车辆周围有易燃氢气浓度。
4. 讨论
4.1. 易燃蒸气云对氢气泄漏地点构成的风险
氢气的特点是燃烧范围广，点火能量阈值低，大大提高了蒸汽云爆炸 （VCE） 的风险。鼓膜破裂是爆炸事故中直接人身伤害的关键标志，其阈值为 13.8 kPa [26]。利用从露天氢气爆炸实验数据中得出的拟合模型 [27]，考虑了 4% 的氢气浓度（这是最低可燃水平）和急救人员与事故车辆的距离，计算了 0.5 m 距离处的压力。
在案例 1 中，未使用鼓风机，蒸汽云量达到 17.7 m3，VCE 将产生 27.1 kPa 的压力，对人身造成重大风险。同样，在情况 2 中，蒸汽云为 10.13 m3，预计超压为 18.9 kPa，这也可能导致人身伤害。但是，在蒸汽云体积约为 1 m 的情况下3，所得压力约为 9.9 kPa，仍低于人身伤害阈值。这些发现表明，使用鼓风机对氢气泄漏进行早期响应可以有效减轻对人类的直接伤害，强调了此类设备在管理与氢能汽车事故相关的风险方面的重要性。
4.2. 急救人员的事故应对措施
在事故现场，确定适当的响应策略需要仔细考虑各种因素，包括现场安全、需要救援的人员的存在以及事件蔓延到周边地区的可能性。氢能汽车泄漏的应对策略应根据现场遇到的具体情况进行调整，可分为侵略性、边际性和防御性应对。当紧急需要以牺牲急救人员为代价进行救援时，或者当事件风险相对较高，需要立即救援时，主动策略是合适的。在强火蔓延到附近的可燃物或通道受阻的情况下，采用边际策略，需要在有效减轻风险因素的同时接受一些损害。当不存在额外的救援目标时，例如驾驶员在氢能车祸后立即自动下车的情况下，防御策略适用。此外，当由于交通不繁忙而导致事件传播到附近区域的风险较低时，此方法也适用。它包括在氢气完全排放或燃烧后安全接近现场清理碎片，同时控制事故现场并监测空气气体浓度。
在氢能汽车事故后氢气在高压下泄漏的情况下，大量氢气将在高压下排放或点燃成喷射火焰，如图 6 所示。当氢气从 70 MPa 的 52.2 L 储罐中通过 1.8 mm 喷嘴泄漏时，排放率在 10 秒内降低到 50%，在 40 秒内降低到 10%。尽管释放时间会随着罐容量的增加而延长，但 50 L 的储氢容器通常需要不超过 150 秒即可完全释放气体 [6]。氢气快速释放后，从 T2到 T5在图 6 中，在此期间，风险显著降低，可以采用防御策略进行响应，同时防止二次损伤;但是，如果存在挽救生命的迫切需求，则需要采取边际反应。
图 6.急救人员的应急响应策略。
在喷射火焰事件中，考虑到强烈喷射火焰的持续时间较短，急救人员应采取额外的绝缘措施来补充防火服。由于通常涉及多个储氢容器，因此应考虑到按顺序激活的火焰进行救援行动。在高压氢气泄漏的情况下，只有在使用鼓风机时才能选择边际策略，因为它会产生蒸汽云，可能对急救人员构成风险。如建模结果所示，使用鼓风机可以降低高压氢气泄漏排污阶段的风险。因此，使用主动从 T 开始的鼓风机2至关重要。在氢气充分分散后响应更安全 （T6在图 6中）。由于低压氢气泄漏不会产生破坏性的蒸汽云 [14]，因此如果救援人员在场，可以采取积极的策略。但是，在风险增加的半封闭空间（例如隧道或地下停车场）中，应使用鼓风机。
当氢气从储存容器中高压泄漏时，会产生超过 100 dB 的噪音水平，并随着储存压力的增加而增加 [28]。在高压气体泄漏的事故现场，过大的噪音会阻碍确定泄漏位置。可以使用声学成像设备进行可视化，该设备显示高噪声区域，指示泄漏的源头。建模结果表明，如果鼓风机没有对准泄漏点，氢气的有效扩散就具有挑战性，可能会导致在车辆的另一侧形成蒸汽云。为了安全地应对氢能汽车事故，积极使用声学成像设备等创新设备至关重要。
5. 结论
交通运输部门已被确定为全球温室气体排放的主要贡献者，化石燃料为当前 90% 以上的车队提供动力。这导致环保汽车的推广增加，尤其是氢能汽车，其数量显着增加。然而，大多数急救人员在处理氢能汽车事故方面没有经验，这凸显了安全有效的响应策略的必要性。在这项研究中，我们检查了鼓风机在减轻氢能汽车高压气体泄漏方面的有效性。结果表明，尽管氢气由于蒸汽密度低而迅速扩散，但在高压下泄漏的气体仍会形成足以对人类安全构成威胁的蒸汽云。研究表明，将鼓风机放置在距离泄漏点 5 m 的位置是有效的，该距离可以保护急救人员免受意外喷射火焰的影响。为了加强氢气的扩散，将吹气方向与泄漏点对齐而不是调整鼓风机角度至关重要。在不太拥挤的区域或没有额外救援要求的情况下，该研究建议采用防御策略来最大限度地减少损害蔓延并保护周围区域。相反，在需要立即救援工作的情况下，考虑到高压气体或喷射火焰泄漏的持续时间，建议使用鼓风机或额外的绝缘材料等措施。未来的研究需要继续探索车辆类型并评估鼓风机在半封闭空间（如隧道和地下停车场）中的适用性，以制定安全有效地应对氢能汽车事故的方案。
