船舶机舱氢泄漏多因素耦合扩散特性与安全通风验证研究

本文聚焦氢燃料船舶机舱安全，通过多因素耦合（通风速度u≤4 m/s至18.6 m/s、泄漏压力、湿度40%-80%）数值模拟，揭示氢泄漏扩散时空分布规律，提出安全通风阈值（9.3 m/s常规/18.6 m/s泄漏工况），为氢动力船舶防爆设计提供关键数据支持。

　　

Highlight

本研究通过多因素耦合分析揭示了氢泄漏扩散的动态特性，并基于船舶通风设计标准验证了机舱安全通风量。

Physical model

图1为简化船舶机舱结构，尺寸23.2 m×22.4 m×13.4 m，双层设计（下层高8.1 m），发电机组等设备集中分布于右上方。

Jet diffusion model

高压气体泄漏扩散模型受气体类型、环境及初始条件影响。当氢通过小孔（orifice）高速泄漏时，其行为可用超声速射流理论描述，动量主导阶段持续约58秒。

Grid division and boundary conditions

采用Fluent Meshing对进风口、泄漏孔等关键表面进行局部加密，通过三层边界层（growth rate=1.2）捕捉粘性效应，基于poly-hexcore算法控制流体域网格尺寸。

Effect of ventilation speed

对比0-6 m/s通风速度发现：初期（t≤60 s）低速通风（u≤4 m/s）会促进氢扩散；持续通风后，高速（6 m/s）可有效清除机舱氢积聚。高温区域易形成氢浓度富集带。

Conclusion

研究表明：

1. 泄漏初期需避免低速通风（u≤4 m/s）以防氢扩散；

2. 湿度40%-60%可稳定控制危险区域；

3. 泄漏压力与风险呈正相关；

4. 推荐通风速度：常规9.3 m/s/泄漏工况18.6 m/s。