隨著綠色低碳戰(zhàn)略的實(shí)施，甲醇、氨和氫氣等新能源在船舶上逐漸得到應(yīng)用。相對(duì)于常規(guī)燃料，氫燃料在船上應(yīng)用為船舶消防安全帶來了新的挑戰(zhàn)。從目前現(xiàn)實(shí)需求來看，盡早自主開發(fā)船舶可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真專用軟件勢(shì)在必行。以氫燃料船舶為例，需要根據(jù)氫氣可燃?xì)怏w的燃燒爆炸特點(diǎn)，結(jié)合可燃?xì)怏w爆炸仿真軟件發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)行業(yè)需求制定開發(fā)方案，助力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

氫氣的物化屬性及燃燒爆炸事故類型

可燃?xì)怏w發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的主要原因就是發(fā)生泄漏，擴(kuò)散形成可燃?xì)怏w，碰到點(diǎn)火源后發(fā)生火災(zāi)或爆炸，氫氣也不例外，但氫氣的以下物化屬性導(dǎo)致其發(fā)生火災(zāi)爆炸的過程與危害與其他可燃?xì)怏w有所不同。

泄漏擴(kuò)散特性：相對(duì)其他可燃?xì)怏w，氫氣的泄漏速率和擴(kuò)散速率更高，氫氣泄漏在層流狀態(tài)下，氫氣的泄漏速率約為甲烷的1.26倍，湍流狀態(tài)，氫氣的泄漏速率約為甲烷的2.83倍，而氫氣在高壓條件下，通常是以湍流狀態(tài)泄漏。另外，氫氣極易擴(kuò)散，其擴(kuò)散速度約為甲烷的3.8倍。在非受限空間內(nèi)，一旦發(fā)生意外泄漏，氫氣會(huì)迅速上浮并向四周擴(kuò)散。在受限空間，氫氣泄漏后容易在處所頂部集聚，并與空氣快速混合形成可燃?xì)怏w。

燃燒爆炸特性：相對(duì)其他可燃?xì)怏w，氫氣的燃燒速度達(dá)到2m/s，是天然氣燃燒速度的5倍，氫氣的空氣混合物燃燒極限范圍較寬，為4.1%~74.1%，而天然氣的燃燒極限為5.3%~15%，氫氣的點(diǎn)火能很低，最小點(diǎn)火能為0.02MJ，而汽油和天然氣的點(diǎn)火能為0.3MJ。氫氣的低點(diǎn)火能，導(dǎo)致氫氣在高壓條件下發(fā)生泄漏時(shí)，在射流前方產(chǎn)生激波，使氫氣與空氣的混合氣體壓縮升溫，發(fā)生自動(dòng)點(diǎn)燃，在幾毫秒之內(nèi)就會(huì)轉(zhuǎn)變成爆燃，最終形成噴射火。

基于以上物化屬性，氫氣泄漏發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，通常為以下四種形式：

(1)無燃燒泄漏擴(kuò)散，即氫氣只發(fā)生泄漏擴(kuò)散，沒有發(fā)生自點(diǎn)火或遇到點(diǎn)火源。

(2)氫氣泄漏，其射流直接遇到點(diǎn)火源，被點(diǎn)燃形成噴射火。

(3)氫氣泄漏，在高壓作用下，形成激波，發(fā)生自點(diǎn)火，通常會(huì)形成噴射火。

(4)氫氣泄漏，擴(kuò)散后與空氣混合形成可燃?xì)怏w混合物，遇到點(diǎn)火源，發(fā)生爆炸或爆燃。

由此可見，氫氣發(fā)生泄漏后引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的過程和后果，相對(duì)常規(guī)火災(zāi)燃燒蔓延的過程更為復(fù)雜。僅2019年，挪威、美國就相繼發(fā)生多起氫氣爆炸，事故起因分別是氫氣云爆炸和氫氣自燃引發(fā)的連鎖爆炸，我國也發(fā)生過多起氫氣相關(guān)火災(zāi)爆炸事故。

氫氣能源如在船舶上應(yīng)用，受船舶特殊工況、處所通風(fēng)、點(diǎn)火源分布等影響，一旦發(fā)生泄漏，其引發(fā)火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)更高，需要綜合考慮氫氣燃料的狀態(tài)、處所結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、通風(fēng)條件、點(diǎn)火源分布等邊界條件，才能對(duì)其火災(zāi)爆炸動(dòng)力學(xué)行為、危害和控制措施進(jìn)行深入研究。

國內(nèi)外軟件現(xiàn)狀

目前國際較為成熟可用于爆炸模擬仿真的軟件主要有FLACS、ANSYS AutoReaGas、Fluidyn和PHAST軟件等，目前國內(nèi)尚無火災(zāi)爆炸模擬商業(yè)化軟件，僅合肥工業(yè)大學(xué)在近期開發(fā)完成的一款火災(zāi)爆炸模擬軟件Exfire相對(duì)成熟。

由挪威Gexcon公司開發(fā)的FLACS(Flame Accelaratition simulatation)軟件，采用3D建模,可以較為直觀的仿真CFD過程，可用于氣體流體流通與擴(kuò)散、蒸汽爆炸和爆破過程模擬仿真,可對(duì)多種爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估,主要用于石油和天然氣工業(yè)、核工業(yè)、粉塵爆炸等領(lǐng)域和設(shè)施。

由美國世紀(jì)動(dòng)力公司(Century Dynamics)和荷蘭TNO公司聯(lián)合開發(fā)，后被ANSYS收購的ANSYS AutoReaGas軟件，是一款三維計(jì)算流體分析軟件，主要用來模擬氣體爆炸與由此引發(fā)的沖擊波效應(yīng)，比較擅長專門設(shè)計(jì)擁堵和受限結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沖擊波傳播過程中形成超壓的計(jì)算，在進(jìn)行設(shè)備或結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸的響應(yīng)計(jì)算時(shí)，AutoReaGas計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)可以輸出到結(jié)構(gòu)分析軟件，如AUTODYN(顯式)和ASAS(隱式)結(jié)構(gòu)分析軟件，進(jìn)行爆炸結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析。該軟件主要用于海上平臺(tái)、化學(xué)制藥、電廠、采礦和運(yùn)輸安全和風(fēng)險(xiǎn)分析領(lǐng)域。

Fluidyn由法國FLUIDYN公司開發(fā)的，基于三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，專門用于工業(yè)事故風(fēng)險(xiǎn)分析及環(huán)境污染模擬，針對(duì)不同的領(lǐng)域應(yīng)用，開發(fā)了一系列的仿真模塊，主要包括fluidyn -PANACHE(大氣污染擴(kuò)散及空氣質(zhì)量評(píng)估仿真)、fluidyn-VENTIL(（受限、半受限空間內(nèi)通風(fēng)、火災(zāi)、爆炸仿真)和fluidyn-MP(通用多物理場(chǎng)仿真)，其中VENTIL又包括VENTCLIM、VENTFIRE和VENTEX模塊，分別用于通風(fēng)擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸仿真，能夠進(jìn)行三維氣體、粉塵和固體在封閉和開放區(qū)域的爆炸(蒸氣云UVCE氣云，易爆區(qū)域，筒倉，發(fā)酵罐，海上平臺(tái)，碳?xì)浠�合�?武器倉庫，等等)，也可進(jìn)行爆炸結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。

PHAST是由DNV開發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件，包括泄漏模塊、擴(kuò)散模塊、爆炸模塊和毒性模塊(包括燃燒性和毒性)，可進(jìn)行液相、氣相或者汽液兩相泄漏，液池蒸發(fā)、氣體擴(kuò)散、液體沸騰膨脹蒸汽云爆炸(BLEVE)、噴射火、池火、閃火、蒸汽云爆炸和毒性氣體擴(kuò)散等方面的仿真計(jì)算，主要應(yīng)用于石油石化、危險(xiǎn)品運(yùn)輸、核工業(yè)等。

合肥工業(yè)大學(xué)在多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家基金等項(xiàng)目的支持下，歷經(jīng)20年自主開發(fā)的火災(zāi)爆炸仿真軟件Exfire，主要包括泄漏、燃燒和爆炸3個(gè)核心模塊，具有燃燒模型、熱解模型、煙顆粒生成模型、輻射模型、傳熱模型和蒸發(fā)模型，可以對(duì)氣體的泄漏擴(kuò)散、低速油池火、高速噴射火和固體火蔓延，在復(fù)雜計(jì)算域和超大區(qū)域內(nèi)的氣體爆燃、爆炸等進(jìn)行仿真計(jì)算。與氫氣相關(guān)的爆炸模擬達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并已應(yīng)用于氫能工業(yè)、電力和核能等領(lǐng)域。

自主研發(fā)船舶可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真軟件的必要性

為確保鋰電池、氫燃料電池等新能源在船舶上的安全使用，包括新能源汽車運(yùn)輸船舶的安全載運(yùn)，需開展涉及可燃?xì)怏w泄漏、擴(kuò)散、集聚、爆燃、消防措施的有效性等復(fù)雜過程的數(shù)值模擬仿真。為開展新能源動(dòng)力船舶和新能源汽車載運(yùn)船舶的消防安全仿真計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，需要專業(yè)化的軟件工具和數(shù)據(jù)庫支撐。而目前可燃?xì)怏w燃料泄漏擴(kuò)散爆炸仿真軟件主要針對(duì)陸地建筑或海洋平臺(tái)，不能滿足船舶常見的復(fù)雜結(jié)構(gòu)封閉處所小開口環(huán)境條件下和船舶新能源典型燃料如氨、甲烷等的計(jì)算需求。因此，需要針對(duì)船舶典型結(jié)構(gòu)處所環(huán)境參數(shù)、限界面物理特性、典型火災(zāi)危險(xiǎn)源、典型火災(zāi)載荷、燃料狀態(tài)和特殊火災(zāi)動(dòng)力學(xué)特征等開展船舶專用可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真計(jì)算技術(shù)研究和軟件開發(fā)，為船舶使用鋰電池、氫燃料電池系統(tǒng)、氨燃料和鋰離子電動(dòng)汽車載運(yùn)船舶消防安全的仿真計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)手段。

國產(chǎn)軟件，雖然已具備火災(zāi)爆炸模擬功能，且廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)等領(lǐng)域的泄漏、火災(zāi)爆炸模擬研究和工程評(píng)估，但針對(duì)船舶特有的邊界條件(復(fù)雜結(jié)構(gòu)封閉處所小開口和船舶限界面物理特性等)、氣體可燃物(天然氣、甲醇、氨等)、固體可燃物(如木質(zhì)品、紡織物、塑料等)、固體不可燃物(鋼材、限界面包敷材料等)和液體燃料(液氫、液氨、甲醇等)的參數(shù)還很缺乏，需要結(jié)合船舶環(huán)境開展研究，開發(fā)一套適用于船舶行業(yè)的專業(yè)化工具軟件和數(shù)據(jù)庫。

▣ 自主開發(fā)技術(shù)思路

基于國內(nèi)開發(fā)的火災(zāi)爆炸模擬軟件，開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、模擬和調(diào)研研究，獲取船用材料的基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)而建立可交互的船舶材料數(shù)據(jù)庫，服務(wù)于泄漏、火災(zāi)、爆炸等數(shù)值模擬，全面支撐船舶安全研究、風(fēng)險(xiǎn)分析、規(guī)范制訂和工程設(shè)計(jì)。

基本開發(fā)思路如下：

(1)基于成熟算法的船舶可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真計(jì)算軟件開發(fā)

基于國內(nèi)開發(fā)的火災(zāi)爆炸模擬軟件核心算法，對(duì)船舶典型結(jié)構(gòu)和邊界條件計(jì)算需求的適用性研究，研究船舶可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真計(jì)算核心算法，開發(fā)船舶可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真計(jì)算核心代碼。向客戶應(yīng)用需求，針對(duì)船舶典型場(chǎng)景功能需求，完善軟件模型輸入模塊功能和計(jì)算輸出模塊功能。

(2)典型燃料燃燒爆炸屬性參數(shù)研究

針對(duì)船舶新能源燃燒仿真計(jì)算需求，開展實(shí)驗(yàn)或文獻(xiàn)調(diào)研，研究建立典型燃料(氫氣、天然氣、甲醇、氨等)燃燒屬性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括可燃?xì)怏w的基礎(chǔ)參數(shù)如燃燒熱、分子式、質(zhì)量損失速率、層流煙點(diǎn)高度、熱力學(xué)數(shù)據(jù)(比熱、焓、熵)和層流煙點(diǎn)高度等參數(shù)。

針對(duì)船舶新能源爆炸仿真計(jì)算需求，研究爆炸模擬所需基礎(chǔ)參數(shù)，建立典型燃料(氫氣、天然氣、甲醇、氨等)爆炸屬性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括分子式、可燃?xì)怏w成分與質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)模型及參數(shù)(指前因子、活化能、燃燒熱)、層流燃燒速度、湍流燃燒速度等，開展實(shí)驗(yàn)或文獻(xiàn)調(diào)研。

開展船舶可燃?xì)怏w單步反應(yīng)模型及輸運(yùn)參數(shù)研究，研究確定可燃?xì)怏w單步反應(yīng)的總級(jí)數(shù)和燃料的級(jí)數(shù)、指前因子、活化能等，進(jìn)而根據(jù)自由傳播層流火焰方程組和NASA組份輸運(yùn)系數(shù)庫確定可燃?xì)怏w及燃燒產(chǎn)物的輸運(yùn)系數(shù)，研究建立基于單步反應(yīng)的甲醇、氨、天然氣等典型燃料的火災(zāi)爆炸仿真模型。

(3)典型固體可燃物熱解燃燒屬性參數(shù)研究

根據(jù)船舶典型固體可燃物(如木質(zhì)品、紡織品、PVC、電纜等)，研究確定固體可燃物的熱解模型及模型參數(shù)(指前因子、活化能、碳化分?jǐn)?shù)等)、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、表面發(fā)射率、熱阻、點(diǎn)火能等，進(jìn)而建立固體可燃物參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

(4)典型固體邊界材料傳熱屬性參數(shù)研究

針對(duì)鋼材、限界面包敷材料、甲板敷料等典型固體邊界材料，研究確定密度、傳導(dǎo)系數(shù)、表面發(fā)射率、反射率等，進(jìn)而建立固體非可燃物參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

(5)低溫液態(tài)可燃物狀態(tài)方程和熱力學(xué)屬性參數(shù)研究

針對(duì)液氫(沸點(diǎn)約-253℃)、液氨(沸點(diǎn)約33.5℃)、甲醇(沸點(diǎn)64.8 ℃)等可燃液體，可能存在低溫或高壓的情況，研究或調(diào)研建立液態(tài)狀態(tài)方程和氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

船舶作為國際貿(mào)易主要運(yùn)輸工具，在碳減排戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)力系統(tǒng)革命勢(shì)在必行，因此開展替代燃料的安全評(píng)估急需船舶專用可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真軟件。基于我國自主開發(fā)的火災(zāi)爆炸模擬軟件，充分考慮船舶環(huán)境適用性，開發(fā)并不斷完善船舶燃料和船用材料數(shù)據(jù)庫，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船舶可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散爆炸仿真軟件是完全可行的。

本文作者：顧雅娟  陳國慶  莊磊  趙佳文