隧道中液态氢泄漏扩散行为的关键影响因素：泄漏体积与阻塞比的耦合效应研究

　　针对液态氢在隧道泄漏扩散引发的爆炸风险，研究人员通过三维瞬态数值模拟，系统研究了泄漏体积(30-90 L)和阻塞比(α=0.6)对氢云扩散的影响。发现泄漏量增大会使20 s时爆炸性氢云体积增至387.9 m3 ，而高阻塞比虽早期促进湍流混合，后期却会形成回流区使平均浓度降低50%。该研究为隧道氢泄漏风险评估提供了定量依据。

　　

随着氢能产业的快速发展，液态氢(LH₂
)因其高能量密度(120 MJ/kg)成为航空航天和能源运输的重要载体。然而其20 K的超低温和宽爆炸极限(4-75%)特性，使得运输过程中一旦发生泄漏，极易形成可燃性氢云并引发连锁爆炸。特别是在隧道等受限空间内，泄漏的液态氢会经历复杂相变和扩散过程，但目前针对隧道场景的研究仍存在空白——既缺乏对泄漏体积这一关键事故参数的量化分析，也未能阐明车辆阻塞比(blockage ratio)对扩散路径的影响机制。

中国安全生产科学研究院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，首次通过计算流体力学(CFD)模拟揭示了泄漏体积与阻塞比对隧道氢扩散的耦合作用规律。研究采用三维瞬态模型，模拟了30-90 L液态氢泄漏后20秒内的扩散过程，同时设置0-0.6的阻塞比梯度，通过组分输运方程耦合相变模型捕捉氢云演化特征。

数值模型
建立与实际隧道1:1比例的几何模型，泄漏口设于侧壁以模拟运输车辆事故场景。采用Realizable k-ε模型求解湍流，通过蒸发-冷凝模型描述LH₂
相变过程，定义4%氢体积分数为可燃下限(LEL)。

扩散行为影响
研究发现泄漏体积直接影响氢云规模：20 s时30/60/90 L泄漏对应的可燃云体积分别为174.7/288.3/387.9 m³
。低温氢云呈现"贴地-爬壁"双阶段扩散：初期因密度差沿地面蔓延，后期受浮力作用向顶部聚集。阻塞比则通过改变流场结构影响扩散效率——α=0.6时，早期湍动能增强使混合速率提升37%，但15 s后形成的回流区导致氢云停滞，最终使平均浓度下降50%。

爆炸风险演变
时间分辨率分析表明，前15秒是风险剧增期，此时氢云体积增速达12.4 m³
/s。高阻塞场景下，车辆后方形成的低压区会延长氢云滞留时间，使爆炸概率提升2.3倍。

该研究首次量化了隧道场景下液态氢泄漏的临界风险参数，为应急通风系统设计和疏散时间计算提供了理论依据。提出的"阻塞比-扩散效率"负相关规律，修正了传统认为障碍物必然促进混合的认知，对修订隧道安全设计规范具有重要指导价值。特别是发现15秒黄金救援窗口期，直接支撑了《氢能车辆隧道事故处置规程》的制定。