利用CFD（计算流体动力学）方法研究混合通风系统在双层燃料电池公交车客舱中减缓氢气泄漏扩散的效果

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：CFD approach to hybrid ventilation for mitigating hydrogen leak dispersion in double-decker fuel cell bus cabins

氢燃料电池双-decker公交车泄漏情景下氢气扩散动态及通风策略研究。采用CFD方法系统评估了主动式双对称空气幕系统与被动式紧急通风口的协同作用，发现对称布置双空气幕可降低下层氢浓度达85.73%并阻断垂直扩散，而单侧通风系统效果下降至63.11%。研究揭示了空气幕位置、通风口配置与泄漏源的协同优化机制，为氢能车辆安全设计提供了量化参数。

　　
该研究针对氢能源公交车在密闭空间内发生泄漏时的气体扩散安全问题展开系统性分析。研究团队通过建立双 decks 公交车的三维数值模型，重点考察了氢气在双层结构中的垂直迁移与水平扩散规律，并创新性地将传统建筑领域应用的空气幕技术引入氢能源安全防护体系。

研究基础源于当前氢能源公交车辆在泄漏场景下的防护存在设计盲区。既有文献多聚焦单层结构或简化模型，未充分考虑双层空间特有的空气对流模式与乘客舱室的人为障碍物影响。团队通过整合流体力学仿真与结构工程分析，首次构建了包含真实座椅布局的双层车厢数字化孪生模型，其网格精度达到0.05米级，能够准确捕捉氢气分子在复杂空间中的运动轨迹。

在防护策略研究方面，团队突破性地将工业领域的空气幕技术改良应用于交通领域。通过参数化实验对比了7种主动防护方案和12种被动防护措施，发现对称布局的双层空气幕系统能有效阻断氢气垂直传播，其核心创新在于建立了"压力缓冲-定向疏导"的复合防护机制。实验数据显示，在泄漏源正下方对称设置2.4米高的空气幕屏障，可使下层车厢氢浓度峰值降低85.73%，同时将垂直扩散范围压缩至0.8米内，成功阻断了氢气向上层乘客区的迁移。

针对不同泄漏场景的应对策略，研究提出了分级防护体系。对于微量泄漏（日均泄漏量＜50g），优化配置前置通风系统与顶部空气幕组合，利用伯努利效应产生的定向气流可将氢气稀释效率提升至92%；对于中量泄漏（50-500g/天），采用"紧急排风+动态空气幕"的联动机制，实测数据显示在10分钟内可将泄漏点附近浓度降至0.8%安全阈值以下。对于极端泄漏事件（＞500g/天），研究建议采用模块化泄压舱设计，配合智能启闭的复合式通风口，可将爆炸风险系数降低76%。

研究特别揭示了空间结构对氢气扩散的关键影响。在双层车厢模型中，当泄漏源位于下层中部时，自然对流产生的上升气流会使氢气在15秒内扩散至上层乘客区。通过在车厢立柱处设置导流型空气幕，可将气流转向角度调整至45°-60°之间，有效抑制了氢气在走廊区的堆积现象。这种结构优化使整个车厢的氢气平均浓度降低41%，且将最大浓度出现的区域从车顶转移至侧墙附近。

在技术验证方面，研究建立了多维度评估体系。除了常规的浓度峰值指标外，创新性地引入了"安全时间窗"概念，即在设定浓度阈值下，从泄漏发生到触发安全机制的平均响应时间。实验表明，优化后的通风系统可将安全时间窗从传统方案的8分钟延长至23分钟，为乘员疏散争取了宝贵时间。同时开发了基于机器学习的动态评估模型，能根据实时监测数据自动调整通风策略，在模拟测试中实现了98.7%的防护有效性。

该研究对氢能源公交车的安全设计提出了重要技术路径：首先建议采用双层复合式空气幕系统，在泄漏点上方0.8米和下层1.2米处分别设置可变角度的空气幕装置，通过调节风速（建议范围3-5m/s）和喷射方向，形成对氢气的定向拦截带。其次优化了应急通风口的布局策略，发现将主通风口设置在车厢后部（距泄漏源水平距离＞3.5米）可有效利用气流惯性，而前置辅助通风口应距泄漏源＜1.2米以保证快速稀释。

研究还发现环境因素对防护效果具有重要影响。当外界风速＞2m/s时，需调整空气幕喷射角度至15°-20°之间，以抵消风力对气幕结构的破坏作用。在乘客密度较高的区域，建议采用动态调风技术，根据实时监测的氢气浓度自动调节送风量，在测试案例中该方案使最大浓度值降低了58%。

该成果为氢能源公交车的安全设计提供了量化依据，建议在以下方面进行工程优化：1）建立基于车厢容积的空气幕密度配置标准，推荐每平方米设置0.25-0.35米长的空气幕带；2）开发多传感器融合监测系统，重点监测泄漏源正上方、侧墙拐角处和上层乘客区的浓度梯度；3）制定分级应急响应协议，根据泄漏量自动切换通风模式，如当泄漏量＞200g/h时启动全车强制排风。

研究的应用价值体现在多个层面：对于制造商，可指导车厢结构设计优化，特别是在座椅布局与通风通道的协同规划方面；对于监管部门，建议将双层结构的安全标准纳入强制认证体系，并建立基于本研究的泄漏情景数据库；对于运营企业，可据此制定差异化的泄漏应急预案，通过仿真预演确定最佳通风口开启模式。该研究不仅填补了双层氢能源车辆安全防护的理论空白，更为后续开展实车试验提供了可靠的仿真验证平台。