《自然》刊发论文

《自然》是一份国际权威杂志,8 月 30 日发了西华大学交通与汽车工程学院和四川省特种设备检验研究院的论文,研究氢燃料电池公交车氢气泄漏爆炸问题。

氢能热值高又环保,各国都在推。氢燃料电池公交车储氢多、跑固定线路,现在很多地方都有。

但氢气也有麻烦之处,扩散快、易燃、容易让金属变脆。公交车天天跑,震动腐蚀啥的,氢气肯定会泄漏。以前研究的多是往外泄漏,车厢内泄漏研究得少。车厢是密闭空间,氢气聚集起来容易有安全隐患。

图2

建模方法与场景设计

研究团队用 ANSYS Fluent 软件模拟。按真车建了 9.0m×2.5m×3m 的模型,车顶 6 个 35MPa 储氢瓶,储氢体积 0.84m³。计算域 37m×26.5m×26.5m×17m,连座椅都有。用 ICEM 做六面体网格,0.05m 网格尺寸,960 万个网格。

图3

设了 7 种泄漏场景,看不同位置(车后壁、座椅下、车厢中部)和流量(0.0043~0.048kg/s)的影响。泄漏流量用阿贝尔-诺布尔状态方程算的。用标准 k-ε 湍流模型,氢-空气混合,SIMPLE 算法,考虑重力浮力。

爆炸用部分预混燃烧模型,18 个监测点测压力温度。模拟泄漏后 10s、20s、30s、40s、50s 点火,还有车头、中部、车尾不同点火位置。

模拟结果:泄漏与爆炸

结果氢气泄漏后车顶会分层,形成恒浓度层。车后壁泄漏最危险,200s 时后部浓度 0.223,正好在最小点火能量范围(0.22~0.26)。车厢中部泄漏氢气圆柱形上升,1s 到车顶。座椅下泄漏被挡住,3s 到车顶,但低浓度区域更大。

图4

泄漏流量大扩散就快。横向速度从 0.47m/s 到 0.97m/s,恒浓度层浓度更高,厚度 0.55m 左右。

点火后车内压力猛增,车外二次爆炸。热伤害比超压伤害范围大。车尾点火火焰传播最远,高温范围 10.88m。车头点火靠近车窗好泄压,车内超压小,二次爆炸超压 4192Pa。

泄漏 40s 点火车内超压最大,后面氢浓度太高反而下降。车外二次爆炸超压一直涨,50s 点火时车外危害还在扩大。

安全建议与行业共识

研究建议座椅下和车厢纵向、垂向装氢气传感器,早期监测评估风险。车顶加通风口,快速排氢气,减少积聚。

以后还要优化车辆模型,考虑风速、温度等环境因素,研究更好的安全系统和防爆材料。

铂道和业内交流过氢能源汽车安全问题,业内的共识是作为国家相关管理部门认定的车型,都是有安全保障的,作为动力来源,氢能并不会比汽油、甲醇、天然气、电池汽车更危险。