國產船舶氫燃料泄漏擴散爆炸仿真軟件開發

隨著綠色低碳戰略的實施，甲醇、氨和氫氣等新能源在船舶上逐漸得到應用。相對于常規燃料，氫燃料在船上應用為船舶消防安全帶來了新的挑戰。從目前現實需求來看，盡早自主開發船舶可燃氣體泄漏擴散爆炸仿真專用軟件勢在必行。以氫燃料船舶為例，需要根據氫氣可燃氣體的燃燒爆炸特點，結合可燃氣體爆炸仿真軟件發展現狀，根據行業需求制定開發方案，助力行業高質量發展。

氫氣的物化屬性及燃燒爆炸事故類型

可燃氣體發生火災爆炸事故的主要原因就是發生泄漏，擴散形成可燃氣體，碰到點火源后發生火災或爆炸，氫氣也不例外，但氫氣的以下物化屬性導致其發生火災爆炸的過程與危害與其他可燃氣體有所不同。

泄漏擴散特性：相對其他可燃氣體，氫氣的泄漏速率和擴散速率更高，氫氣泄漏在層流狀態下，氫氣的泄漏速率約為甲烷的1.26倍，湍流狀態，氫氣的泄漏速率約為甲烷的2.83倍，而氫氣在高壓條件下，通常是以湍流狀態泄漏。另外，氫氣極易擴散，其擴散速度約為甲烷的3.8倍。在非受限空間內，一旦發生意外泄漏，氫氣會迅速上浮并向四周擴散。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氣體。

燃燒爆炸特性：相對其他可燃氣體，氫氣的燃燒速度達到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%，氫氣的點火能很低，最小點火能為0.02MJ，而汽油和天然氣的點火能為0.3MJ。氫氣的低點火能，導致氫氣在高壓條件下發生泄漏時，在射流前方產生激波，使氫氣與空氣的混合氣體壓縮升溫，發生自動點燃，在幾毫秒之內就會轉變成爆燃，最終形成噴射火。

基于以上物化屬性，氫氣泄漏發生火災爆炸事故，通常為以下四種形式：

(1)無燃燒泄漏擴散，即氫氣只發生泄漏擴散，沒有發生自點火或遇到點火源。

(2)氫氣泄漏，其射流直接遇到點火源，被點燃形成噴射火。

(3)氫氣泄漏，在高壓作用下，形成激波，發生自點火，通常會形成噴射火。

(4)氫氣泄漏，擴散后與空氣混合形成可燃氣體混合物，遇到點火源，發生爆炸或爆燃。

由此可見，氫氣發生泄漏后引發火災爆炸事故的過程和后果，相對常規火災燃燒蔓延的過程更為復雜。僅2019年，挪威、美國就相繼發生多起氫氣爆炸，事故起因分別是氫氣云爆炸和氫氣自燃引發的連鎖爆炸，我國也發生過多起氫氣相關火災爆炸事故。

氫氣能源如在船舶上應用，受船舶特殊工況、處所通風、點火源分布等影響，一旦發生泄漏，其引發火災爆炸的風險更高，需要綜合考慮氫氣燃料的狀態、處所結構、環境溫度、通風條件、點火源分布等邊界條件，才能對其火災爆炸動力學行為、危害和控制措施進行深入研究。

國內外軟件現狀

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，目前國內尚無火災爆炸模擬商業化軟件，僅合肥工業大學在近期開發完成的一款火災爆炸模擬軟件Exfire相對成熟。

由挪威Gexcon公司開發的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散、蒸汽爆炸和爆破過程模擬仿真,可對多種爆炸風險進行定量評估,主要用于石油和天然氣工業、核工業、粉塵爆炸等領域和設施。

由美國世紀動力公司(Century Dynamics)和荷蘭TNO公司聯合開發，后被ANSYS收購的ANSYS AutoReaGas軟件，是一款三維計算流體分析軟件，主要用來模擬氣體爆炸與由此引發的沖擊波效應，比較擅長專門設計擁堵和受限結構導致沖擊波傳播過程中形成超壓的計算，在進行設備或結構對爆炸的響應計算時，AutoReaGas計算結果數據可以輸出到結構分析軟件，如AUTODYN(顯式)和ASAS(隱式)結構分析軟件，進行爆炸結構動力響應分析。該軟件主要用于海上平臺、化學制藥、電廠、采礦和運輸安全和風險分析領域。

Fluidyn由法國FLUIDYN公司開發的，基于三維計算流體動力學，專門用于工業事故風險分析及環境污染模擬，針對不同的領域應用，開發了一系列的仿真模塊，主要包括fluidyn -PANACHE(大氣污染擴散及空氣質量評估仿真)、fluidyn-VENTIL(（受限、半受限空間內通風、火災、爆炸仿真)和fluidyn-MP(通用多物理場仿真)，其中VENTIL又包括VENTCLIM、VENTFIRE和VENTEX模塊，分別用于通風擴散、火災和爆炸仿真，能夠進行三維氣體、粉塵和固體在封閉和開放區域的爆炸(蒸氣云UVCE氣云，易爆區域，筒倉，發酵罐，海上平臺，碳氫化合物/武器倉庫，等等)，也可進行爆炸結構動力響應計算。

PHAST是由DNV開發的安全風險計算軟件，包括泄漏模塊、擴散模塊、爆炸模塊和毒性模塊(包括燃燒性和毒性)，可進行液相、氣相或者汽液兩相泄漏，液池蒸發、氣體擴散、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散等方面的仿真計算，主要應用于石油石化、危險品運輸、核工業等。

合肥工業大學在多項國家重點研發計劃項目、國家基金等項目的支持下，歷經20年自主開發的火災爆炸仿真軟件Exfire，主要包括泄漏、燃燒和爆炸3個核心模塊，具有燃燒模型、熱解模型、煙顆粒生成模型、輻射模型、傳熱模型和蒸發模型，可以對氣體的泄漏擴散、低速油池火、高速噴射火和固體火蔓延，在復雜計算域和超大區域內的氣體爆燃、爆炸等進行仿真計算。與氫氣相關的爆炸模擬達到了國際先進水平，并已應用于氫能工業、電力和核能等領域。

自主研發船舶可燃氣體泄漏擴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，包括新能源汽車運輸船舶的安全載運，需開展涉及可燃氣體泄漏、擴散、集聚、爆燃、消防措施的有效性等復雜過程的數值模擬仿真。為開展新能源動力船舶和新能源汽車載運船舶的消防安全仿真計算和風險評估，需要專業化的軟件工具和數據庫支撐。而目前可燃氣體燃料泄漏擴散爆炸仿真軟件主要針對陸地建筑或海洋平臺，不能滿足船舶常見的復雜結構封閉處所小開口環境條件下和船舶新能源典型燃料如氨、甲烷等的計算需求。因此，需要針對船舶典型結構處所環境參數、限界面物理特性、典型火災危險源、典型火災載荷、燃料狀態和特殊火災動力學特征等開展船舶專用可燃氣體泄漏擴散爆炸仿真計算技術研究和軟件開發，為船舶使用鋰電池、氫燃料電池系統、氨燃料和鋰離子電動汽車載運船舶消防安全的仿真計算、風險評估和設計優化提供技術手段。

國產軟件，雖然已具備火災爆炸模擬功能，且廣泛應用于建筑、工業等領域的泄漏、火災爆炸模擬研究和工程評估，但針對船舶特有的邊界條件(復雜結構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)的參數還很缺乏，需要結合船舶環境開展研究，開發一套適用于船舶行業的專業化工具軟件和數據庫。

▣ 自主開發技術思路

基于國內開發的火災爆炸模擬軟件，開展相應的實驗、模擬和調研研究，獲取船用材料的基礎參數，進而建立可交互的船舶材料數據庫，服務于泄漏、火災、爆炸等數值模擬，全面支撐船舶安全研究、風險分析、規范制訂和工程設計。

基本開發思路如下：

(1)基于成熟算法的船舶可燃氣體泄漏擴散爆炸仿真計算軟件開發

基于國內開發的火災爆炸模擬軟件核心算法，對船舶典型結構和邊界條件計算需求的適用性研究，研究船舶可燃氣體泄漏擴散爆炸仿真計算核心算法，開發船舶可燃氣體泄漏擴散爆炸仿真計算核心代碼。向客戶應用需求，針對船舶典型場景功能需求，完善軟件模型輸入模塊功能和計算輸出模塊功能。

(2)典型燃料燃燒爆炸屬性參數研究

針對船舶新能源燃燒仿真計算需求，開展實驗或文獻調研，研究建立典型燃料(氫氣、天然氣、甲醇、氨等)燃燒屬性參數數據庫，包括可燃氣體的基礎參數如燃燒熱、分子式、質量損失速率、層流煙點高度、熱力學數據(比熱、焓、熵)和層流煙點高度等參數。

針對船舶新能源爆炸仿真計算需求，研究爆炸模擬所需基礎參數，建立典型燃料(氫氣、天然氣、甲醇、氨等)爆炸屬性參數數據庫，包括分子式、可燃氣體成分與質量分數、反應模型及參數(指前因子、活化能、燃燒熱)、層流燃燒速度、湍流燃燒速度等，開展實驗或文獻調研。

開展船舶可燃氣體單步反應模型及輸運參數研究，研究確定可燃氣體單步反應的總級數和燃料的級數、指前因子、活化能等，進而根據自由傳播層流火焰方程組和NASA組份輸運系數庫確定可燃氣體及燃燒產物的輸運系數，研究建立基于單步反應的甲醇、氨、天然氣等典型燃料的火災爆炸仿真模型。

(3)典型固體可燃物熱解燃燒屬性參數研究

根據船舶典型固體可燃物(如木質品、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(指前因子、活化能、碳化分數等)、密度、導熱系數、表面發射率、熱阻、點火能等，進而建立固體可燃物參數數據庫。

(4)典型固體邊界材料傳熱屬性參數研究

針對鋼材、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、傳導系數、表面發射率、反射率等，進而建立固體非可燃物參數數據庫。

(5)低溫液態可燃物狀態方程和熱力學屬性參數研究

針對液氫(沸點約-253℃)、液氨(沸點約33.5℃)、甲醇(沸點64.8 ℃)等可燃液體，可能存在低溫或高壓的情況，研究或調研建立液態狀態方程和氣體狀態方程和熱力學參數數據庫。

船舶作為國際貿易主要運輸工具，在碳減排戰略驅動下的動力系統革命勢在必行，因此開展替代燃料的安全評估急需船舶專用可燃氣體泄漏擴散爆炸仿真軟件�；�于我國自主開發的火災爆炸模擬軟件，充分考慮船舶環境適用性，開發并不斷完善船舶燃料和船用材料數據庫，開發具有自主知識產權的船舶可燃氣體泄漏擴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