TPRD 直径和释放方向对地下停车场氢气扩散和喷射火灾的影响
摘要
本文提出了安全策略，以支持氢燃料电池电动汽车上热激活压力释放装置（TPRD）直径和释放方向的选择。进行了分析和数值模拟活动，以研究在真实地下停车场中车辆未点燃和点燃的氢气释放的危险。使用沿射流中心线氢气浓度衰减的相似定律来确定在向上释放期间防止可燃混合物形成的 TPRD 直径。参数化计算流体动力学模拟研究了不同 TPRD 直径、释放方向、车辆与障碍物的距离、天花板高度、停车场通风对氢气危险的影响。未点燃释放的危险与氢-空气云团的较低可燃性极限相关。对于点燃释放，根据停车场通风的 BS 7346-7-2013 标准要求，将 70℃的温度阈值用作评估对人员热危害的无危害标准，将 300℃用作机械通风系统损坏标准。制定了关于 TPRD 设计的建议，以支持氢动力车辆在现有地下停车场设施和基础设施中的安全整合。
1. 引言
随着燃料电池电动汽车（FCEV）在公共道路上数量的增加，制定防止在地下交通基础设施和停车场形成可燃氢-空气混合物的安全策略，是安全和设计工程师关注的问题。如果在封闭空间内发生氢气泄漏，建议安装通风系统，以防止氢气浓度积聚超过 1%体积。在地下停车场的情况下，氢气泄漏可能源自意外触发的热激活压力释放装置（TPRD），这是每辆 FCEV 车载存储所需的标准安全功能。地下停车场安装的机械通风系统的要求，以控制空气质量和抵御潜在的火灾危险，由相应的法规、规范和标准（RCS）规定，例如 BS 7346-7-2013。在发生火灾时，BS 7346-7-2013 要求机械通风系统应清除火灾产生的烟雾，以方便乘员逃生和第一响应者的干预，并应提供至少每小时 10 次换气（ACH）。该标准还规定，“所有用于停车场通风系统的排气热气体的风扇，应根据 BS EN 12101-3 进行测试，以验证其在 300℃下运行不少于 60 分钟的适用性（F300 级）。”
TPRD 释放的氢气与地下停车场机械通风的相互作用是一个可信的事故场景。评估 TPRD 潜在的未点燃或点燃释放是否会导致现有停车场机械通风不符合当前 RCS 对地下停车场的要求，是至关重要的。此外，应确保 TPRD 释放的氢气不会对阻碍 FCEV 乘员自行疏散和妨碍消防和救援服务操作的人员造成危险。在少数数值研究中研究了机械通风对封闭空间内氢气扩散的影响。在 CFD 研究中，使用 FLACS 在私人大型停车场中模拟了氢气 TPRD 释放。释放流速从 500 g/s 开始，考虑了排放，但未指定 TPRD 孔口且没有通风，因为研究的重点是比较氢气和甲烷混合物，即氢烷。该论文主要关注压力影响的评估，而不是 TPRD 的选择。2013 年，Choi 等人在有和没有机械通风的地下停车场中对车载存储的氢气释放进行了数值模拟。所考虑的停车场尺寸为 W×L×H=18.0×16.7×2.3m。在有通风的模拟中，停车场入口完全敞开，W×H=5.0×2.3m，机械通风机位于中央地板上，空气流向停车场出口。模拟了 20、40 和 60m3/min 的通风速率，分别对应 1.7、3.5 和 5.2ACH。氢气垂直向下释放，释放口为 5×5cm，氢气速度选择为提供恒定体积流量 Q=0.655 和 1.310m3/min。作者观察到，对于所研究的氢气流量，通风对可燃云体积有显著影响，并在两种情况下基本消除了可燃云，这归因于通风速率远大于氢气泄漏且释放速度相对较低。Matsuura 等人在半开放走廊的比例模型（L×W×H=2.9×0.74×1.22m）中数值研究了通风速度的影响，旨在设计强制通风控制系统。走廊的一端完全开放。单个氢气泄漏开口和单个屋顶通风口的尺寸相同，为 0.15×0.30m。研究了不同释放流量 1.18×10-4-9.44×10-4m3/s、抽风机速率 2.32×10-2-6.97×10-1m3/s（32-958ACH）和抽风机运行模式下屋顶通风口位置和地板氢气泄漏位置的影响。作者表明，在研究条件下，机械通风口的位置和通风速率对氢气的分布和传播通过外壳有显著影响。较大的通风速率导致从研究走廊的开放端强烈流入，克服了氢气羽流的浮力，并防止氢气上升到天花板，导致其沿地板传播。在 HyIndoor 项目中开发了两个工程模型，以帮助室内氢气装置的通风设计。被动通风模型假设氢气从稳定状态释放到外壳天花板下的分层层中积累。该方法针对 CEA 在一个尺寸为 H×W×D=1.26×0.93×0.93m 的小尺寸外壳中对氦气释放进行的 48 次小规模自然/被动通风实验进行了验证，其中一个通风口位于靠近天花板的墙壁上。计算程序也可用于确定机械通风的体积流量，使其不超过给定恒定氢气释放速率下分层层中的目标最大氢气浓度。第二个模型基于完全混合方程，并假设氢气在整个外壳中均匀分布。该模型允许计算强制通风流量，使其不超过给定稳态氢气释放速率下的目标最大氢气浓度。被动通风模型和强制通风完全混合模型的解决方案基于两个强假设：（1）分别在分层层和整个外壳中完全混合，（2）对应于恒定氢气释放速率的稳态配方。违反每种方法的假设都会导致建模结果的准确性降低。在大型外壳（例如地下停车场）中有限的车载存储库存的瞬态释放是一种现实场景，导致氢气的空间和时间分布违反了上述两个假设。在这种情况下，应用分析模型是不合理的，工程解决方案应采用更准确的技术，如 CFD 分析，也适用于喷射火灾。HyTunnel-CS 项目最近的研究为在地下车 库等密闭空间意外释放氢气时机械通风系统的有效性提供了重要见解。实验是在一个 40 英尺的 ISO 容器中进行的，以确定不需要改变通风系统的质量流量限制和 TPRD 直径限制。研究结果表明，氢气浓度、质量流量、储层压力和通风速率之间存在相关性。他们得出结论， 目前对氢气浓度使用的强制通风的充分性并不确定，建议保持 TPRD 直径较小。在停车场意外释放氢气的情况下，建议通风速率为 10ACH 或更高，以减少可燃云的持续时间。
总的来说，目前缺乏对安装在 FCEV 上的 TPRD 在地下停车场意外释放氢气相关危险的全面评估。本研究旨在通过对现实地下停车场场景中未点燃和点燃氢气释放的数值模拟来填补这一空白。这项工作是在 FCH JU 资助的 HyTunnel-CS 项目“氢动力车辆和通过隧道及类似密闭空间运输的安全预规范研究”（https://hytunnel.net）的框架内进行的。HyTunnel-CS 项目的目标是通过填补与在地下交通系统中使用此类车辆相关的安全提供方面的知识差距和技术瓶颈，支持氢动力车辆进入地下交通基础设施。本文展示了如何在地下停车场实现 HyTunnel-CS 项目中开发的安全策略。首先，该研究评估了在地下停车场场景中免费 使用经过验证的简化工具，用于未点燃和点燃的氢气射流，确定了简化模型的适用范围。发现涉及复杂几何形状和氢气射流撞击地面的场景不在简化模型的适用范围内。因此，使用经过验证的计算流体动力学（CFD）模型对这些场景进行了研究。采用系统方法来研究 TPRD 直径和未点燃和点燃氢气释放方向的影响，在地下停车场和/或交通系统的背景下。重点是研究氢气释放与典型停车场机械通风系统的相互作用、符合当前 RCS 要求、方便乘客疏散和救援操作。最终目的是提出适合的 TPRD 特性和安全策略，以便在不需要对基础设施进行修改的情况下，更安全地引入 FCEV 进入地下停车场。
2. 向上排放的相似性定律评估
2.1. 安全策略
本质上更安全的 FCEV 地下停车场的策略是消除天花板下易燃云的形成，防止其点火和破坏性爆燃的可能性。在向上排放的情况下，可以使用相似性定律[13]计算 TPRD 直径，该直径将使射流在到达天花板之前衰减到氢气的较低易燃极限 4 %vol. 以下，从而防止形成易燃云。沿着自由、无障碍的氢气射流中心线的氢气浓度衰减可以通过基于基本原理并经过广泛验证的相似性定律[13]来描述，该定律适用于膨胀和欠膨胀射流：
其中，x 是从喷嘴到关注点的轴向距离（m）；D 是喷嘴出口直径（m）；Cax 是在轴向距离 x 处空气中的氢气质量分数；CN 是喷嘴中的氢气质量分数（对于纯氢气释放，CN=1.0）；ρN 是喷嘴出口处的密度（kg/m3）；ρS 是环境空气密度（kg/m3）。该相似定律被实现为项目 NET-Tools 中开发的氢安全电子实验室的工具之一。一个简单的安全策略可能基于最小化释放开口，以在射流到达外壳天花板之前提供低于较低易燃极限（LFL）的氢气浓度衰减。一旦天花板下的氢气浓度低于 LFL，即 4 %vol. 氢气，则排除了在那里形成和积聚易燃氢-空气云的可能性。相似定律可以重新表述为提供沿着射流轴线到氢气质量分数达到指定值的位置的距离：
其中，x 是释放孔口（即 TPRD 位置）与天花板之间的垂直距离（m），Cax=0.00288 是对应于氢气 LFL（4%体积）的氢气质量分数。
2.2. 本质安全型 TPRD 直径计算示例
下面是一个计算防止在停车场天花板下形成易燃氢-空气云的 TPRD 直径的示例。假设在一个地下停车场中有一辆车，天花板高度为 3.0 米。车辆车载氢储存压力为 70 MPa。储存装置配备了一个 TPRD，安装在离地面 0.5 米的高度，并垂直向上排气。环境温度为 288 K。天花板处的氢浓度应低于 4%（对应质量分数为 Cax=0.00288）。对于未点燃的射流，可以使用式（1）中的相似定律或相应的电子实验室[14]工具来计算射流轴线上的浓度。在评估时，必须考虑 TPRD 离地面的高度和天花板的高度。手工计算步骤[13]：1. 根据储存压力计算实际喷嘴出口压力：
2.利用实气体的Abel-Noble状态方程计算Z因子：
3.计算喷嘴出口中的氢气密度：
4.使用以下方法计算足以排除易燃云形成的最大喷嘴直径：
这是一个相当小的 TPRD 直径，应注意在储罐失去承载能力并破裂之前，它对于火灾中氢气储罐的放空是足够的。
3. 点燃释放的无量纲火焰长度关联
3.1. 安全策略
对于点燃释放的安全策略可以从对人员的伤害和对通风系统的损害两方面进行评估。根据拉尚斯（2011）[16]，温度高于 70℃被认为对人员不安全，因此针对特定释放计算温度衰减是评估危险距离的前进方向。在距离为火焰长度的 3.5 倍时达到 70℃的无伤害条件，如图 1 所示。对通风系统的损害可以使用 300℃温度作为最大限值，根据 BS 7346-7-2013[4]，在氢气喷射火的情况下，为了机械通风系统的安全运行，在通风入口处可能允许这样的温度。这是一个保守的评估，因为氢气喷射火的持续时间可能会短于 60 分钟。沿着喷射火轴线到 70℃和 300℃温度限值的距离可以使用在上述相同的氢气安全工具电子实验室中实施的火焰长度无量纲关联来计算。图 1 显示了轴向温度分布作为由火焰长度归一化的距离的函数。可以观察到，到 300℃温度（图 1 中的实线，与对人员造成三度烧伤的伤害一致）的距离等于火焰长度的两倍，并且可以用作指示，以了解具有该温度的燃烧产物是否会进入通风系统。
3.2. 固有更安全的 TPRD 直径计算示例
让我们考虑在第 2.2 节中给出的地下停车场中的燃料电池电动汽车的相同示例，并计算对于喷嘴直径等于 0.3 毫米和储存压力为 700 巴的释放，到 70℃（对人员无伤害）和 300℃（停车场中机械通风运行的标准要求）的距离。使用无量纲火焰长度关联[17]或电子实验室[14]计算火焰长度得出 1 米。根据图 1 中的轴向温度分布，可以发现到 300℃限值的距离是 2.0 米，而到“无伤害”阈值 70℃的距离是 3.5 米。考虑到氢气的释放位于地面以上 0.5 米处，300℃温度限值将在 2.5 米高度达到，并且在 3 米高的天花板下，温度应降至 300℃以下。假设通风管道正好位于释放点上方，通风系统入口处的热燃烧产物温度将与可以被认为符合 BS 标准的限值相当。上述考虑的简化模型基于自由传播射流的假设，不适用于向下引导并撞击地面的释放。应采用更准确的评估方法，如下面介绍的 CFD 建模，以找出 TPRD 直径和向下释放角度的限值，以确保符合机械通风要求，并在意外点燃释放的情况下为乘客提供安全的自行疏散。
4. 来自 TPRD 的向下释放的数值研究
4.1. CFD 模型细节4.1.1. 未点燃释放
在这项研究中，我们研究了比利时根特圣马丁拉特姆（Gent, Belgium）一个真实地下停车场的示例[18]。带有尺寸的停车场俯视图如图 2 所示。停车场高度为 3.0 米，总停车面积为 1115 平方米。使用 18 个均匀分布的通风开口进行机械通风，每个开口大小为 1×1 米，位于停车场天花板处。研究了车载氢气储存，其体积为 62.4 升，初始储存压力 70 兆帕，初始温度 288 开尔文和几种 TPRD 直径。考虑瞬态问题公式以考虑储存罐的放空。数学模型包括质量、动量、能量和氢气质量分数守恒方程。使用可实现的 k-ε湍流模型[19]对湍流的影响进行建模。计算域的等轴测视图和数值网格如图 3 所示。计算域包括地下停车场本身和部分隧道入口（图 2 中的 BDEF 部分）。
图 1. 以火焰长度归一化的距离为函数的实测轴向温度（符号），以及三种喷射火对人伤害的标准（线条）[17]。
图 2. 地下停车场布局（比利时根特的圣马丁斯拉腾）[18]。
数值网格由均匀分布在计算域内的 440k 个控制体积组成，并在释放区进行了细化。数值网格在表面由多面体控制体积构成，以便更好地表示冲击地面的射流，而在流体核心部分则为六面体。为了改进梯度计算，根据之前的研究[20]在冲击区使用了多面体网格。这样做是为了克服与其他网格相关的梯度重建问题。控制体积在喷嘴附近为 3.5 毫米，在远离喷嘴的远场可达 20 厘米。在[21]中已经对未点燃释放进行了网格和时间步长独立性研究，作者使用发现的标准在当前出版物中构建问题。停车场的初始条件为环境温度等于 288K，环境压力为 101325Pa。停车场入口，如图 3 中蓝色箭头所示，作为新鲜空气的入口，并被建模为表压等于 0 的压力边界。排风通风口，如图 3 中红色箭头所示，均匀分布在天花板排风通风口（18 个通风口，每个 1×1 米）上，并模拟为具有通风口区域均匀速度的流出边界。在有机械通风的模拟中，根据 BS 7346-7:2013[4]规定了流出速度，并考虑了停车场高度。因此，对于 10 次换气率和 3.0 米的停车场高度，流量为 33450 立方米/小时，这对应于每个通风口 0.516 米/秒的流出速度。下面第 4.2 节描述了通过不同直径和释放方向的 TPRD 进行氢气储罐泄压的建模细节。在所有模拟中，假设车载氢气储罐体积为 62.4 升，超压 700 巴。采用基于压力的隐式求解器和所有输运方程中对流项的二阶迎风格式。在所有模拟中使用恒定时间步长Δt = 5 毫秒，导致可变的 Courant–Friedrichs–Lewy（CFL）数，在释放开始时最大值为 395，随着泄压的进行，由于喷嘴处速度降低而减小到 200。
图3。计算域和数值网格。（为了解释本图中对颜色的参考资料，读者可以参考本文的网络版本。
所描述的模型使用 ANSYS Fluent 2020R2 作为 CFD 引擎来实现。表 1 中列出了 19 个数值测试的详细信息。模拟了直径为 0.5 毫米、0.6 毫米、0.75 毫米、1 毫米和 2 毫米的 TPRD 释放氢气。研究了通风、释放直径和释放角度、天花板高度以及车辆后面有障碍物（墙壁形式）的影响。TPRD 释放方向与垂直方向的角度在 0-60°范围内变化。对于 TPRD 角度为 30-60°的情况，释放是从车辆向后引导的。评估的配置符合 GTR #13 法规，即不将氢气从 TPRD 直接排放到车辆外壳或轮罩中，也不“从车辆前方，或从车辆后面或侧面水平（与道路平行）”[22]。燃料电池电动汽车如图 3 所示位于停车场中心附近，但模拟编号 12、13 和 19 除外，在这些情况下车辆靠近后墙。模拟编号 11-13、15-17 和 19 研究了天花板高度为 2.1 米的地下停车场的极限情况，这是此类基础设施建议的最小高度[23]。
表1关于放氢和喷射火灾的数值试验的细节。
注：I未点燃，U未未点燃。*表示在模拟中没有障碍可以更改为无值。
4.1.2. 点燃释放
为了模拟点燃释放，上述问题表述还包括作为燃烧模型的涡流耗散概念（EDC）[24]以及离散坐标（DO）[25]辐射模型。除了未点燃释放情景外，计算流体动力学模型还考虑了通过混凝土停车场墙壁的热传递。采用了与未点燃释放情景相同的数值网格和边界条件。DO 模型使用 5×5 条光线和 3×3 个像素进行离散化。水蒸气的吸收系数通过 ANSYS Fluent 的用户定义函数（UDF）功能来实现，根据[26]中普朗克平均吸收系数的数据，依赖于温度和水蒸气分压。作者在之前的工作中[27-29]已经对所提出的计算流体动力学方法进行了彻底评估和验证。这项工作中用于网格细化和时间离散化的数值要求遵循[27-29]中的结论，用于准确模拟氢气喷射火实验。在所述模拟中，混凝土墙壁发射率系数等于 0.94，车身的发射率系数设定为 1.0，以避免辐射反射。大气湿度预计会对辐射热交换有贡献，并按照周等人[30]的方法进行考虑，他们报告地下停车场的相对湿度在 40%至 70%范围内。在本研究中，空气中相对湿度考虑为平均值 55%，这相当于空气中水蒸气质量分数为 0.004673。通过在释放点附近设置一个温度为 2400K 的热点来启动反应，从而实现喷射的点燃。
4.2. 放空模拟
体积源技术[31]被应用于模拟所有 19 种情景的放空释放。对于每个选定的喷嘴直径，在概念性喷嘴处随时间变化的氢气质量流量、速度、温度、湍流模型参数通过在相应方程中应用源项进行建模。概念性喷嘴中的储存压力、质量流量、温度和速度的动态通过使用电子实验室工具“储罐绝热放空”进行计算，并在图 4 中显示。概念性喷嘴中的湍流强度选为 TI=25%，湍流长度尺度选为 TLS=0.07dnot，其中 dnot 是根据[13]计算的概念性喷嘴直径。应用体积源项的计算域部分被建模为一个立方体，其边长 lVS 选择使得边面积等于释放开始时的最大概念性喷嘴面积；不同 TPRD 直径的立方体边长 lVS 和总体积 VVS 在表 2 中给出。用于源项应用的立方体积使用 2×2×2 个立方控制体积进行求解。
图 4. 氢气罐放空初始阶段储存压力、质量流量、概念性喷嘴温度和速度的动态。
表 2 计算流体动力学模拟中所使用的体积源参数。
源项计算如下：▪ 质量守恒方程源项：Smass = ˙mH2 / Vvs ，▪ x 方向动量（水平）守恒方程源项：Sx.mom =（ uH2 · ˙mH2 / Vvs ·） sinA，其中 uH2 是概念性喷嘴速度，A 是 TPRD 释放方向与垂直方向的夹角，▪ y 方向动量（垂直）守恒方程源项：Sy.mom = （-uH2 · ˙mH2 / Vvs ·）cosA，▪ z 方向动量（与释放方向垂直）守恒方程源项：Sz.mom = 0，▪ 动能 κ 守恒方程源项：Sκ = κ· ˙mH2 / Vvs ，▪ 耗散能 ε源项：Sε = ε· ˙mH2 / Vvs ，▪ 能量守恒方程源项：SE = cp,H2 ·(TH2 - T0)· ˙mH2 / Vvs ，其中 cp,H2 是氢气定压比热容，TH2 是概念性喷嘴温度，T0 是环境温度，▪ 动能：κ = 3/2(uH2 · TI)2 ，▪ 湍动能耗散率：ε = 0.0845·0.75·κ1.5 / TLS。
5. 结果与讨论
5.1. 未点燃释放
5.1.1. 机械通风的影响 进行了无通风（0 换气次数）和 10 换气次数的通风率的模拟，以评估其对天花板下可燃层形成的影响，并根据到可燃下限（即可燃包络大小）的距离来估计危险距离。图 5 显示了在天花板高度为 3 米时，对于 TPRD∅0.5 和 TPRD∅0.75 毫米，以及在天花板高度为 2.1 米时对于 TPRD∅0.75 毫米，在中央横截面获得的可燃包络；在所有展示的案例中，TPRD 释放以与垂直方向成 A=45°的角度进行。所示的快照是在氢气排放过程中观察到最长危险距离的时刻。图 5 表明机械通风对最大危险距离没有明显影响。这与崔等人[6]和松浦等人[7]的观察结果不同。认为得到的结果是由于氢气射流的速度高于空气速度，以及在排放过程中射流达到最大尺寸的时间相对较短。图 5 还表明，氢-空气射流的可燃部分是动量主导的，附着在地面上，且在受到浮力影响并到达天花板之前很久，氢气浓度就下降到 4%以下，因此预计不会在天花板下积累氢气和形成可燃混合物。图 5 中半透明的蓝色等高线显示了空气中 4%体积氢气的等值面，作为释放方向上的最大距离（可燃包络的确切时间可在图 7 中看到），而下一级蓝色显示了中心平面上的 4%衰减。可以看出，在所有情况下，可燃包络传播的最大距离都大于其在中心平面上的距离。这是由于 TPRD 位置从车辆轴线偏移，以及氢气射流在地板上的冲击和附着。这也可以在图 6 中看到，该图显示了 TPRD∅0.75 毫米、与垂直方向成 A=45°的角度释放、天花板高度为 2.1 和 3.0 米，在有和没有通风时 t=7 秒时的可燃包络顶视图。应该注意的是，对于 10 换气次数的机械通风情况，与无通风（0 换气次数）相比，可燃包络的宽度更宽。
图 5. 具有通风（10 换气次数）与无通风（0 换气次数）情况下氢气可燃包络线的比较：TPRD 直径 0.5 毫米，角度 A=45°，3.0 米天花板（顶部）；TPRD 直径 0.75 毫米，角度 A=45°，3.0 米天花板（中间）；TPRD 直径 0.75 毫米，角度 A=45°，2.1 米天花板（底部）。（关于此图中颜色引用的解释，请读者参考本文的网络版本。）
图 7 显示了在模拟 1 至 11、14 和 15 中，从释放点开始的可燃包络传播的最大水平距离的动态。图 7（左）对于 TPRD∅0.5 毫米和角度 A=45°表明，与垂直方向的释放角度越大，危险距离越大。通风仅使最大危险距离略微（3.5%）减小。图 7（右）显示了对于较大 TPRD 直径在 0.75 至 2.0 毫米范围内的水平最大危险距离。它在 4 至 10 秒内达到最大值，然后由于排放而逐渐减小。对于 TPRD∅0.75 毫米、A=45°和天花板高度为 2.1 和 3.0 米，通风的影响实际上无法区分。应该注意的是，在模拟中，对于 TPRD∅1.0 和∅2.0 毫米，最大可燃包络传播距离是达到了，并且受到距离释放点 12 米处的停车场墙壁的限制。
图 6. 可燃包络线形状俯视图：TPRD 直径 0.75 毫米，角度 A=45°，2.1 米和 3 米天花板，在时间 t=7 秒时的 0 换气次数和 10 换气次数。
5.1.2. 天花板高度的影响
图 6 还显示了天花板高度对可燃包络扩展的影响，如对于相同的 TPRD∅0.75 毫米和 3.0 米和 2.1 米天花板高度，有和没有通风的比较所示。可以看出，对于较低的天花板，最大可燃包络传播距离大约长 2.0 米（25%），这可能是由于高度减少 30%导致的空气夹带不同。图 7 表明，这种差异在 t=6.0 至 6.5 秒（2.1 米高度）和 t=8.0 至 8.5 秒（3.0 米高度）之间达到。差异随着时间逐渐减小，并在 t=12 秒后稳定在约 1.0 米（12%）。如图 6 所示，可燃包络传播的最大距离不是在射流轴上，而是在其周边。
5.1.3. TPRD 释放角度的影响
使用模拟 2 至 8（TPRD∅0.5 毫米和∅0.75 毫米，10 换气次数，天花板高度 3.0 米）来评估 TPRD 释放方向的影响，该方向在与垂直方向成 A=0°至 60°之间变化，对可燃包络传播的影响。图 8 显示了在每个特定模拟中可燃包络达到其最大尺寸的时刻。对于所研究的两个 TPRD 直径，角度的增加始终增加最大危险距离（对于 A=60°和 TPRD∅0.75 毫米没有进行模拟，因为在这种情况下，可燃下限传播距离会更远）。对于两个 TPRD 直径，在 A=0°和 30°的释放产生的可燃包络距离比在 A=45°的释放短，然而，它们在汽车下方朝向前门和乘客侧门形成了大的可燃云团，威胁到在点燃释放情况下乘客的疏散。此外，在两个模拟中，TPRD∅0.5 和∅0.75 毫米，在角度 A=30°的释放导致的可燃包络比在 A=45°的厚。图 9 表明，垂直向下（在角度 A=0°）的释放能够形成浮力可燃云团，即使有活跃的机械通风（10 换气次数）也能在天花板下积累。出于上述原因，只有在角度 A=45°的释放将进一步分析。5.1.4. TPRD 直径的影响
TPRD 直径对可燃云形状的影响在图 10 中展示。该图显示了在 t=6 秒时从 TPRD∅0.5、∅0.75、∅1.0 毫米和∅2.0 毫米释放产生的可燃包络。对于 TPRD∅0.5、∅0.75 和∅1.0 毫米，在射流传播受到浮力影响之前，可燃成分很久就已经衰减，防止了在天花板下形成可燃云。在 t=6 秒时，对于所考虑的停车区域，TPRD∅2.0 毫米的可燃成分到达天花板，这似乎是最危险的情况，因为它的可燃包络不仅是最长的，而且在与墙壁相互作用失去动量后，威胁着大量氢-空气云的积累。
图 7. 在有通风和无通风情况下，以及不同释放角度下，最大可燃包络线传播的动态。左：TPRD∅0.5mm。右：TPRD∅0.75-2.0mm（包括不同的天花板高度；最大包络线传播 12m 受到停车场墙壁的限制）。
图 8. 释放角度对易燃包层最大伸展的影响：TPRD 直径 0.5 毫米（左），TPRD 直径 0.75 毫米（右），天花板高度 3.0 米，每小时换气量 10 次。
5.1.5. 无通风情况下障碍物的影响（最坏情况）
进行了模拟编号 12 和 13（TPRD∅0.5 和∅0.75 毫米，角度 A=45°），以评估停在墙壁旁边、低天花板（高度 2.1 米）且无通风（0 ACH）情况下燃料电池电动汽车的最坏情况情景。TPRD 释放朝向墙壁，墙壁与燃料电池电动汽车保险杠之间的距离为 0.2 米。图 11 显示了在∅0.5 毫米时 t=8 秒和∅0.75 毫米时 t=11 秒时最长的可燃氢-空气混合物传播情况。模拟表明，当燃料电池电动汽车停在墙壁旁边时，即使是所考虑的最小 TPRD∅0.5 和∅0.75 毫米，目前也无法避免可燃云团的形成。建议避免让带有 TPRD 朝向障碍物的车辆停放。
5.1.6. 点火情况下可燃氢的质量和潜在超压危害
使用一个可用的分析模型研究了潜在氢-空气云爆燃的压力危害，该模型用于封闭容器中局部混合物爆燃[32]。该模型基于若干假设：完全密封的围护结构（没有开口提供爆燃通风）；局部氢-空气混合物仅占据围护结构的一部分，但在混合物中氢在爆炸下限 4%体积分数内均匀分布（这为给定氢质量提供了最大爆燃超压）；完全燃烧。在[32]中进行的分析得出结论，为避免超过 10 千帕的爆燃超压，这是民用结构完整性的典型限值，围护结构中的氢存量不应大于 mH2=2.61×10−4V，其中 mH2 是氢的质量（千克），V 是围护结构的体积（立方米）。所研究的停车场体积为 3345 立方米。将上述分析应用于所考虑的停车场意味着，要在整个停车场达到均匀的 10 千帕超压，与空气混合的氢质量应为 mH2=2.61×10−4×3345=0.873 千克。实际上，这种氢质量的爆燃将导致低于 10 千帕的超压，因为：
（1）停车场不是完全密封的，至少以排风通风和入口大门的形式有开口，
（2）实际混合物中氢含量与模型中假设的均匀 4%体积分数组成（总氢质量固定）的任何偏差都会降低最终超压。
图 12 显示了所有研究释放情景下停车场中氢-空气云团质量的动态。图 12（左）给出了在可燃范围内（4%至 74%体积分数氢）氢质量的动态。对于从最大 TPRD∅2.0 毫米、10 ACH、释放角度 A=45°释放，最大氢质量达到约 0.38 千克。这明显低于导致 0.873 千克的分析限值，得出结论，从等于和小于∅2.0 毫米的 TPRD 释放的氢爆燃不会导致威胁结构完整性的超压。较小 TPRD 的释放导致在可燃范围内氢质量进一步降低。自然，对于 TPRD∅0.5 毫米（释放角度 A=0°）观察到的可燃氢质量最少——这里最大氢质量约为 27 克，与 TPRD∅2.0 毫米（A=45°）的约 380 克相比小了 14 倍。将 TPRD∅0.5 毫米的释放角度从 0°增加到 60°，可燃氢质量进一步降低到仅 4 克——几乎降低了 7 倍。图 12（右）显示了在最快燃烧（以及对产生超压最危险）组成 25%至 35%体积分数中的氢质量。从 TPRD∅2.0 毫米释放时，仅登记到最大氢质量 1.55 克。这相当于在 29.5%体积分数氢下 0.062 立方米的化学计量氢-空气混合物体积。对由 TPRD 释放导致的氢-空气混合物爆燃的模拟超出了本研究的范围，但在 HyTunnel-CS 项目中进行，并在其可交付成果 D6.9[12]中报告。结果表明，对于来自具有正常工作压力（NWP）70 兆帕的储氢罐的泄漏，将 TPRD 直径从∅2.0 毫米减小到∅0.5 毫米，会使对应于对人类生命“无危害”限值的爆燃超压阈值 1.35 千帕的传播从 10.5 米减小到 2.6 米，使“无危害”距离与车辆尺寸相当，并被建议作为减轻 TPRD 释放点火产生的压力影响的一种措施。
5.2. 点燃释放
本节旨在评估在发生氢气喷射火灾的情况下，现有的机械通风系统是否继续符合 RCS 要求，特别是英国标准 BS 7346-7-2013 中关于系统风扇在 300℃下运行不少于 60 分钟的建议。为了实现这一点，对 300℃的温度限制进行监测：如果由氢气喷射火灾产生的温度高于 300℃的热气体不进入通风管道，那么通风系统就被认为是本质安全的。这是一种保守的评估，因为氢气喷射火灾的持续时间很可能短于 60 分钟。对 TPRD 直径和释放方向、通风率以及车辆在停车场中的位置的影响进行了评估。结果将在以下各节中报告。例如，在实际情况中，可能会通过各种检测设备来监测温度是否达到 300℃，以确定通风系统是否符合要求。对于通风率，可能会调整通风设备的运行参数来观察其对整个情况的影响。而车辆位置不同，可能导致火灾蔓延情况和对通风系统的影响也不同。在研究中，可能会模拟不同的场景来详细分析这些因素的具体作用。
图 9. TPRD∅0.5mm（左）和∅0.75mm（右）在 30s 时的向下释放，A=0◦，10ACH。
图 11. 障碍物对可燃云形成的影响：TPRD∅0.5mm，t=8s（上）和∅0.75mm，t=11s（下），A=45◦，10ACH。
5.2.1. 机械通风存在的影响
机械通风对燃烧产物云团（温度等于或高于 573K（300℃界限））的影响如图 13 所示。给出的分布是在 TPRD∅0.5mm 释放、释放角度 A=45°与垂直方向在时间 t=16s 时的情况，此时云团达到最大高度。可以观察到，通风的存在对热产物分布的影响不大，与未点燃释放的情况类似。机械通风应根据当前的英国标准（10 换气次数）来维持。图 14 显示了对于 TPRD∅0.5mm、释放角度 A=45°，有和没有通风时，从车辆尾部到温度高于 300℃（573K）阈值的云团的最大水平延伸范围和达到的最大高度的动态。可以看出，在这两种情况下，通风的影响极小，与数值精度相当。70℃（343K）被认为是对人类在任何暴露时间下无害条件的阈值[16]。图 15 显示了在相同模拟中，对于温度高于 70℃的热燃烧产物云团从车辆尾部在 0 到 2m（即人类高度）的高度限制之间的最大延伸动态。在 t=6s 看到的最大峰值是由于释放初始后热产物传播的动量，它很快消退，然后随着放空的进行预计会随时间单调减少。5.2.2. TPRD 释放角度的影响 通过模拟释放角度为 A=0°、30°、45°和 60°与垂直方向，研究了 TPRD 释放方向对热危害距离的影响，与未点燃释放类似。图 16 显示了在每个 TPRD 释放方向下，当达到最大高度时温度高于 300℃的燃烧产物的模拟分布。对于所考虑的停车场天花板高度为 3m 和 TPRD∅0.5mm，所有释放方向都导致在浮力将热气体带到天花板的通风口之前很久，温度就已消散到低于 300℃，因此通风系统将继续符合 BS 7346-7-2013 标准。然而，观察到在 TPRD 方向为 A=0°角度的情况下，温度高于 300℃的云团达到 2m 的最大高度，尽管时间很短。温度对应于致命伤害标准（300℃，20 秒暴露的三度烧伤[16]）的热燃烧产物包围了车辆，可能会阻止乘员逃生。对于 A=30°角度，温度高于 300℃的云团在短时间内达到 2.1m 的最大高度。对于 A=45°和 60°释放角度，温度高于 300℃的热气体都未达到 2m 高度。根据“无危害”标准 70℃对人员的危害距离进行了进一步分析。观察到对于 TPRD 释放角度 A=0°，车辆的“无危害”距离是最低的。然而，在这种情况下，温度达到致命伤害水平 300℃的热燃烧产物包围了车辆，可能会阻止乘员逃生。对于释放角度 A=30°，“无危害”距离小于 5m，但如前所述，如果停车场天花板高度为 2.1m，温度高于 300℃的云团将会到达天花板。对于 TPRD 释放角度 A=45°，计算得出的“无危害”距离为 6.2m，这低于 A=60°角度释放的距离。似乎 TPRD 释放角度 A=45°在对人员最小危害标准方面以及热气体不会阻止符合 BS 7346-7-2013 标准的机械通风系统运行方面是最佳选择。只有这个 A=45°释放方向将用于进一步分析 TPRD 直径的影响。图 17 展示了对于不同 TPRD 释放角度，温度等于或高于 300℃的热燃烧产物云团从车辆尾部达到的最大高度和水平距离的动态。图 17（左）显示了在水平方向上从车辆后部 起温度高于 300℃的热燃烧产物的最大延伸范围。可以观察到，最大水平距离随着 TPRD 角度的增加而延伸，这可能导致即使在最小化车辆乘员自疏散危害的情况下，潜在二次火灾的风险更高。同样从图 17 可以得出，TPRD 带有释放方向 A=45°代表了便于车辆乘员自疏散以及在垂直和水平方向上减少危害距离的最佳选择。图 17（右）显示了释放角度与达到对通风系统造成损害的温度水平 300℃的最大高度之间的关系（记住不能大于停车场天花板的高度，即 3.0m）。对于释放角度 A=0°，通风损坏可能在最大高度 2.0m 处发生，尽管只是很短时间。然而，从图 16 可以注意到，温度对应于“致命”危害标准的热燃烧产物包围了车辆，这可能会阻止乘客逃生。这表明即使在 3.0m 高度的天花板处未达到损坏水平，热燃烧产物仍可能对停车场乘员自疏散的安全构成严重威胁。对于释放角度 A=30°，损坏温度水平达到最大高度 2.1m，尽管也是很短时间（类似于 A=0°角度）。对于角度 45°和 60°，损坏温度水平未达到 2.0m。
图 12. 氢气易燃质量的动态：在 4%至 74%体积的可燃性极限范围内（左），在 25%至 35%体积的最快燃烧成分范围内（右）；TPRD 直径 0.5 毫米（上），直径 0.75 毫米（中），直径 1.0 毫米和直径 2.0 毫米（下）。
图 13. 机械通风（10 次换气/小时）与无通风（0 次换气/小时）对温度高于 300℃的燃烧产物云团的影响：TPRD 直径 0.5 毫米，天花板高度 3.0 米，角度 A = 45°，时间 t = 16 秒。
图 14. 温度高于 300°C 的燃烧产物云团从车辆尾部起的最大水平范围（左）以及达到的最大高度（右）：TPRD 直径 0.5 毫米，天花板高度 3.0 米，角度 A = 45°。
图 14. 温度高于 300°C 的燃烧产物云团从车辆尾部起的最大水平范围（左）以及达到的最大高度（右）：TPRD 直径 0.5 毫米，天花板高度 3.0 米，角度 A = 45°。
5.2.3. TPRD 直径的影响
TPRD 直径对热气云团大小以及符合 BS 7346-7-2013 标准的机械通风系统安全运行的影响已在∅0.5 毫米至∅2.0 毫米范围内进行了评估。图 18 显示了每种情况下在云团达到最大高度时温度高于 300°C 的云团分布情况。可以观察到，对于 TPRD∅0.5 毫米，温度高于 300°C 的云团达到 1.6 米的最大高度且未到达天花板。对于 TPRD∅0.6 毫米，温度高于 300°C 的云团达到 2.5 米的高度且也未到达天花板。在 TPRD∅0.6 毫米且天花板高度为 2.1 米的模拟中，温度高于 300°C 到达天花板，这可能会破坏机械通风系统和停车场的安全（该情况未在图 18 中显示）。对于 TPRD∅0.75 和∅1.0 毫米的释放，温度高于 300°C 在 8 秒内到达天花板。当采用 TPRD∅2.0 毫米时，这个时间减少到 5 秒。在这种情况下，热产物云团在车辆尾部后约 12 米处到达墙壁。对于 TPRD∅0.5 至∅0.6 毫米，从车辆尾部的“无危害”距离低于 6.5 米，而对于 TPRD∅0.75 至∅1.0 毫米，在车辆后 12 米处到达停车场墙壁。数值模拟的结果与在尺寸为 L×H×W=30×28.4×2.6 米的自然通风有盖停车场的观察结果一致。向下的喷射火的方向被认为显著减小了通风系统的危险区域。在本研究中，对于 TPRD∅2.0 毫米的释放，温度高于 300°C 的热云团在释放方向为 A=0°、30°和 45°时仍到达天花板。另一方面，TPRD∅0.5 毫米和释放方向 A=45°在储罐排放期间未在天花板处产生危险云团，例如在研究[33]中，初始压力为 70MPa 的 117 升储罐的排放持续时间为 1 小时 40 分钟。应该注意的是，与机械通风相比，自然通风可能提供的新鲜空气量较少。
图16。TPRD∅0.5mm：天花板高度3.0m，10ACH时，TPRD释放角垂直对温度在300◦C以上的燃烧产物云的影响。
图 19（左）描绘了温度高于 300°C 阈值的燃烧产物云团从车辆尾部的最大水平距离。该图提供了对热燃烧产物所构成的潜在危险及其对通风系统安全影响的洞察。从右图可以看出，对于 TPRD∅0.5 毫米，在 3.0 米高的天花板下未达到损害通风的温度水平，且温度 300°C 仅达到 1.6 米的最大高度。对于 TPRD∅0.6 毫米，在停车场高度为 3.0 米时，天花板下未达到损害温度水平，然而，温度阈值 300°C 在 2.5 米高度达到，这可能会对低于此值的停车场高度的安全造成影响。对于 TPRD∅0.75 至∅1.0 毫米，在 8 秒内达到天花板下的损害水平。
图17。在不同的TPRD角度下，温度超过300◦C时，距离车辆后方的最大水平距离（左）和最大高度（右）：TPRD∅0.5mm，10ACH。
如图 20 所示，对于 TPRD∅0.5 至∅0.6 毫米，从车辆尾部的最大“无危害”距离在约 6.5 米处达到。为了防止对任何行人造成潜在危害，应该保持车辆与该危险距离。另一方面，观察到 TPRD∅0.75 至∅1.0 毫米在距离车辆后 12 米处的停车场墙壁处提供有害条件。然而，应该注意的是，对于相同的储罐体积减小 TPRD 直径会延长受压存储系统的排放时间。在储罐暴露于火灾的情况下，应该确保储罐的防火等级对于给定的 TPRD 直径在其灾难性破裂之前能够排放储罐仍然足够。有前途的技术之一是 IV 型储罐的“无泄漏-无破裂”（LNB）安全技术，即使在 TPRD 失效的情况下，即使在火灾情况下也能防止灾难性的储罐破裂[34]。另一个本质上更安全的工程解决方案是将储罐-TPRD 设计作为一个系统，该系统可防止常规复合储罐在 TPRD 孔径小至∅0.5 毫米时破裂[35]。
图18。TPRD直径对温度在300◦C以上的燃烧产物云的影响：A=45◦，天花板高度3.0 m，10 ACH。
图 19. 对于各种 TPRD 直径，燃烧产物云在温度高于 300℃时达到的距车辆尾部的最大水平距离（左）和最大高度（右）：A = 45°，每小时换气 10 次。
6. 安全策略和建议
所进行的数值分析结果用于制定安全策略和建议，以支持燃料电池电动汽车更安全地引入地下基础设施。用于评估所提出的安全策略的标准包括符合地下停车场当前的 RCS 通风要求以及促进从燃料电池电动汽车的自疏散或救援。值得一提的是，一些关于最佳 TPRD 直径和角度的建议是基于本文所考虑的具体情况：在尺寸为 45×3×23 米的地下停车场中，向后喷射的向下氢气射流，车载氢气存储罐体积为 62.4 升，额定工作压力 700 巴。
图 20. 对于各种 TPRD 直径，在高度限制为 0 到 2 米之间观察到的温度高于 70℃的燃烧产物云到达车辆尾部的最大水平距离：A = 45◦，每小时换气 10 次。
地下停车场未点燃释放的一般安全策略是消除天花板下易燃云团的形成。
▪ 对于向上释放，相似性定律可用于计算在什么 TPRD 尺寸下，氢气射流在到达天花板前会衰减至低于 4%体积比（爆炸下限）。
▪ 停车场 RCS 要求的通风率不影响由 TPRD∅0.5–∅0.75 毫米释放形成的氢气易燃云团。
▪ TPRD 以 A=45◦角度释放被认为是总体最佳安全解决方案。A=0◦角度的释放会产生浮力气氢-空气羽流，在天花板下形成易燃层。A=0◦和 30◦角度的释放会使混合物向前后轮传播，如果被点燃，这将与 FCEV 的 RCS 要求相矛盾。
▪ 从 TPRD∅0.5 和∅0.75 毫米释放不会在考虑的天花板高度范围（2.1–3.0 米）和从 0 ACH（无通风）到 10 ACH（火灾情况下所需的机械通风率）的通风率下在停车场天花板下形成易燃层。
▪ 直径大于∅0.75 毫米的 TPRD 释放有可能形成易燃层，尤其是在没有机械通风的情况下。
▪ 从 TPRD 朝向障碍物的释放往往会阻止氢气与空气混合并促进易燃云团的积累；应建议不要将 TPRD 朝向任何障碍物停放 FCEV。
▪ 使用分析模型分析机械通风对车载储存释放的氢气传播的影响，由于瞬态和高度不均匀的氢气分布，被认为会损失准确性。对于具有大体积和复杂几何形状的封闭空间，这一点尤其明显。对于这些问题，应考虑使用像 CFD 这样能够解决空间和时间氢气动力学的更准确方法。
▪ 防止温度高于 300◦C 的热燃烧产物到达地下停车场天花板的策略将确保 FCEV 与停车场机械通风的当前 RCS 要求兼容，即在至少 300◦C 下运行 60 分钟。对于向上定向的垂直氢气射流火灾，无量纲火焰长度相关性可用于确定与热产物温度在到达天花板前降至 300◦C 以下相对应的 TPRD 尺寸。
▪ 通风对 TPRD∅0.5 毫米的热燃烧产物分布和相关危险距离没有显著影响。这一结论与对未点燃射流的研究一致，在该研究中发现通风对 TPRD∅0.5–∅0.75 毫米释放形成的氢气易燃云团没有影响。应根据当前 BS 要求（10 ACH）维持机械通风。
▪ 建议通过 TPRD∅0.5 毫米以 45◦角度释放，以不阻碍车辆疏散并与 0–30◦角度相比降低热燃烧产物高度，与 60◦角度相比降低危险距离。0◦角度的点燃释放可能会阻碍车辆的自行疏散和救援操作。对于低于 30◦的释放角度，观察到在 2.0 米高度形成温度为 300◦C 的热产物。该高度与地下停车场发现的最低 2.1 米高度相当。
▪ 发现 TPRD∅0.5 毫米以 45◦角度释放符合地下停车场高度为 2.1–3.0 米时对机械通风系统的 RCS 要求。∅0.6 毫米被认为符合停车场高度为 3.0 米的要求，但对于高度为 2.1 米的停车场可能构成安全风险。车辆尾部的无危害距离与 TPRD∅0.5 毫米的情况相似。
▪ 发现较大的 TPRD∅0.75–∅1.0 毫米会在 3.0 米天花板高度导致热产物温度高于 300◦C，这高于停车场机械通风风扇的 RCS 要求，并可能影响其运行和停车场安全。射流火灾的 TPRD 尺寸比未点燃释放的限制更严格。未点燃氢气释放的数值模拟表明，对于考虑的天花板高度范围（2.1–3.0 米），TPRD 直至∅0.75 毫米不会在汽车停车场天花板下形成易燃层。
▪ 应该注意的是，本研究中使用的通风系统损坏标准是保守的，并且预计射流火灾的持续时间与通风系统风扇的所需抵抗时间（至少 60 分钟）和一般汽车火灾的持续时间相比要短得多。
▪ 应不惜一切代价防止车载储罐破裂。应确保针对给定的 TPRD 设计和直径评估其对氢气储罐的耐火等级，以排除在储罐完全排空之前高压设备灾难性破裂的可能性。
7. 结论
所进行研究的创新性在于首次对现实高压氢气罐 TPRD 在真实地下停车场中的氢气释放、扩散和点燃射流火灾进行分析，同时考虑释放方向、角度、天花板高度和通风的影响。基于相似性定律，针对氢气射流轴上浓度衰减并通过限制 TPRD 直径排除停车场天花板下易燃混合物形成的安全策略在垂直释放方向上得到证明。无量纲火焰长度相关性可用于评估地下停车场中向上垂直氢气射流火灾的危险温度水平距离。进行了 19 次考虑现实车辆和停车场几何形状且有无地下停车场机械通风的未点燃和点燃放空释放的 CFD 模拟，提供了氢气-空气混合物和热燃烧产物动力学的详细信息。这项工作的严谨性在于对整个潜在 TPRD 设计参数（直径、释放方向）、现实停车场几何形状（高度、空间）、通风率（从无通风，0 ACH，到规定的 10 ACH）的一致和详细分析。这项研究的重要性在于证明了在地下停车场中发生意外氢气释放和射流火灾时，选择适当的 TPRD 角度和直径以满足安全要求，同时机械通风符合当前现有的 RCS。这一事实使得能够使用当前现有的停车场和地下基础设施与新一代 FCEV。应该注意的是，任何与通过减小 TPRD 直径减轻潜在危害相关的建议都应确保储罐的耐火等级仍然足以排除高压设备在完全排空之前的灾难性破裂。上述讨论为 HyTunnel-CS 项目可交付成果 D6.9“关于在地下交通系统中固有更安全地使用氢动力车辆的建议”中与处理受限空间中未点燃和点燃氢气释放相关的法规、规范和标准（RCS）提供了有价值的贡献。来源：Effect of TPRD diameter and direction of release on hydrogen dispersionand jet fires in underground parking。
