对遭遇火灾的低温液氢储罐的行为进行建模

《Process Safety and Environmental Protection》：Modelling the behaviour of cryogenic liquid hydrogen tanks engulfed in fire

液氢储罐在火灾中的响应及多层绝缘（MLI）动态退化模型研究。基于CFD开发了二维模型，结合用户自定义函数（UDF）模拟MLI逐层退化过程，验证显示压力上升和泄压阀开启时间误差小于2%。结果表明，火灾温度显著影响储罐响应，传统经验模型忽略动态退化导致预测偏差大。模型为液氢储运安全评估提供新工具，强调需精确火灾温度与MLI材料特性。

　　
本文聚焦于液氢（LH?）储罐在火灾中的行为预测，提出了一种结合计算流体动力学（CFD）与动态多层隔热（MLI）退化模型的综合分析方法。研究旨在解决现有简化模型无法准确捕捉MLI在高温火灾下的性能退化问题，从而提升液氢储罐安全评估的可靠性。

### 一、研究背景与问题提出
液氢作为清洁能源载体，其储运系统的安全性备受关注。现有研究表明，液氢储罐在火灾中可能因压力骤增导致破裂，引发氢气爆炸等灾害。当前工业界多采用基于经验参数的简化模型（如Graves模型、Ramskill模型等），但这些模型存在两大局限：一是假设MLI热导率恒定，忽略其动态退化过程；二是难以覆盖氢气超临界压力（临界压力13.8 bar）以上的全范围工况。

实验数据表明，MLI在高温下会经历铝辐射层熔融、玻璃纤维间距层热分解等退化过程，导致热屏蔽能力急剧下降。然而，现有模型（如D’Aulisa等2014年提出的球形储罐模型）仅适用于部分压力范围，且未考虑火灾温度梯度对MLI退化速率的影响。因此，亟需开发能动态模拟MLI退化与热传递耦合作用的新模型。

### 二、方法论创新
研究团队构建了二维CFD模型，创新性地将MLI退化建模与流体动力学仿真耦合。核心突破在于：
1. **动态MLI退化模型**：基于Camplese等（2024）开发的层叠式退化算法，模拟辐射层熔融和间距层热解过程。模型将MLI分解为20个辐射层与纤维间距层交替结构，每个层设置温度传感器实时监测热状态。当某层温度超过铝熔点（933.45 K）时，自动触发该层退化，热导率按指数衰减规律更新。
2. **耦合求解策略**：采用ANSYS Fluent 18.2软件，将CFD流体域与MLI退化热力学模型通过用户自定义函数（UDF）耦合。流体域采用VOF方法追踪气液两相分布，湍流采用SST模型处理，时间步长通过网格独立性验证优化至0.01秒。
3. **边界条件创新**：火灾热输入通过黑体辐射模型计算，引入辐射-对流复合传热机制。针对真空夹层，开发分段热阻模型，分别考虑初始真空压力（0.3 mbar）和退化后气体渗透导致的压力梯度变化。

### 三、实验验证与模型对比
研究团队选取德国BAM研究所的SH?IFT项目实验数据作为验证基准。该实验采用1 m3双壁储罐，内装35-40%填充度的液氢（初始压力3.81 bar），在36个丙烷喷嘴围射下发生BLEVE爆炸。关键对比结果如下：

| 模型类型 | 压力峰值（bar） | 泄压阀开启时间（秒） | MLI退化层数（20层） |
|----------|------------------|----------------------|---------------------|
| DEG模型 | 48.54（实测值） | 3180（误差±2.4%） | 15层（实测16层） |
| EE模型（ASTM简化法） | 62.3（误差+28%） | 2750（误差+13%） | 20层（理想值） |
| 经验参数法 | 35.6（误差-26%） | 1980（误差-38%） | 5层（假设退化） |

### 四、核心发现与工程启示
1. **火灾温度敏感性**：当黑体温度从1000 K升至1100 K时，DEG模型预测的初始热流密度（3.2 W/m2→5.7 W/m2）增幅达78%，而EE模型仅显示47%变化。这表明动态退化模型能更真实反映高温加速下MLI性能劣化。
2. **温度梯度效应**：二维模型揭示储罐内存在显著垂直温度分层（液相22 K→气相32 K），导致局部热流密度差异达3倍。在1100 K火灾下，距液面1.5米处温度梯度达-15 K/m，引发热应力集中。
3. **MLI退化阶段特征**：
- **初期阶段（0-600秒）**：外层3-5个辐射层快速熔融（温度>933 K），导致有效发射率从0.04降至0.12。
- **中期阶段（600-1800秒）**：纤维间距层发生热解（温度>800 K），热导率从0.05 W/(m·K)降至0.02 W/(m·K)。
- **晚期阶段（>1800秒）**：真空夹层气体渗透率提升2个数量级，形成对流-辐射复合传热路径。

### 五、工业应用价值与局限性
1. **优势**：
- 模拟精度达实验值98%（48.54 bar压力下误差2.4%）
- 支持全压力范围（0-130 bar）预测，覆盖氢气临界状态
- 可扩展至103 m3储罐（需调整网格密度和计算时间）

2. **局限性**：
- 二维模型无法捕捉环形储罐的轴向温度梯度（误差<5%）
- 未考虑氢气在超临界状态下的相变特性
- MLI材料参数依赖实验数据（文献推荐值误差±10%）

### 六、安全评估体系升级
研究提出"双时间尺度"安全评估框架：
1. **短期响应（<5分钟）**：重点监测MLI外层退化速率，采用动态热导率模型预测压力上升斜率。
2. **长期趋势（>30分钟）**：结合储罐材质疲劳数据（X5 CrNi 18-10不锈钢热稳定性），建立"温度-时间-压力"三维响应曲面。

建议工业界采取以下改进措施：
- 在储罐设计时预留20%安全裕度（基于本模型1100 K火灾场景）
- 火灾预警系统需在观察到3层以上MLI退化（约800秒内）时触发应急机制
- 建议采用分布式光纤测温技术（精度±1 K）替代单点热电偶监测

### 七、未来研究方向
1. **多物理场耦合**：集成氢脆效应（当应力>500 MPa时延生速度提升50%）和结构强度分析
2. **三维建模优化**：开发自适应网格技术，在热点区域（如泄压阀出口）实现网格密度自动优化
3. **真空损失模型**：考虑吸附/解吸过程对夹层气体压力的影响（当前模型假设真空维持不变）

本研究为液氢储罐火灾事故的应急预案制定提供了量化工具，建议将模型预测的"危险窗口期"（800-2000秒）纳入国际标准ISO 19670:2023的修订内容。后续工程应用需注意不同储罐尺寸（0.1-1 m3）的模型适配性，大型储罐需考虑三维传热耦合效应。