随着全球能源转型和对碳中和的追求，氢作为一种有前景的能源载体，在实现低碳能源解决方案方面显示出巨大价值。氢能源的高密度储存能力和无排放利用特性突显了其在减少难以减排领域碳排放的潜力。因此，它被广泛认为是替代传统化石燃料、构建未来清洁能源系统的关键途径[1]。在各种氢储存和运输方式中，液态氢因其高体积能量密度和低压要求而成为长距离运输和大规模储存的竞争性选择[[2], [3], [4]]。以往的研究广泛探讨了液态氢在储存过程中的热力学特性，特别是自加压行为[[5], [6], [7]]以及各种绝缘措施的性能[[8], [9], [10]]。然而，氢的宽爆炸极限和低最小点火能量在储存和运输过程中引发了安全问题。目前关于液态氢储存和运输安全的研究主要集中在泄漏监测[[11], [12], [13]]和防燃爆[[14], [15], [16]]上，而对流动过程中可能出现的电荷积累现象关注较少。作为低导电性的低温流体，液态氢在高流速条件下极易积累电荷。一旦电荷密度超过临界阈值，可能会引发火花放电，导致爆炸等严重后果[17]。因此，开发液态氢储罐中的电荷传输模型并研究储罐内电荷的分布特性对于理解积累行为、预测潜在风险以及制定有效的抑制和保护措施至关重要。
在能源系统中，低导电性流体的储存和运输过程中的电荷积累问题长期以来一直受到广泛关注，已有大量研究。关于带电流动的机制，Gavis等人[18]和Walmsley等人[19]认为带电流动源于不同电荷与管道壁之间的吸附能力差异，而Touchard等人[20]和Moreau等人[21]则认为带电流动的本质是固液界面的物理化学腐蚀。在解决带电流动的方法方面，Cooper[22]使用线性偏微分方程描述了流体表面的静电势分布，并通过实验确定了低介电常数流体的静电势计算公式。Lees等人[23]使用有限元离散连续介质来求解储罐中柴油的静电分布，并通过引入实际导电参数修改了传统的绝缘边界假设。K?dzia和?ukaniszyn[24]应用有限差分法结合电容矩阵算法，通过将泊松方程转化为近似代数方程来求解带接地棒的球形储罐中的静电场分布。关于储罐内的静电特性，Pazda和Jones[25]使用变量分离法结合贝塞尔函数展开来求解储罐中带电流体的静电势，并通过引入表面导电性修改了衰减时间常数，为研究液气界面的电荷松弛提供了理论框架。Matsubara等人[26]基于在整个加注过程中储罐内静电电荷密度保持恒定的假设，通过实验方法获得了油罐中电荷密度随时间的衰减表达式，全面考虑了静电电荷的输入和耗散。尽管这些研究主要针对常温下的油，但这些数值解决方法具有很高的通用性，可以为液态氢储罐中的电荷传输建模提供方法论支持。
电荷传输机制已在各种电化学系统中得到广泛研究，优化电荷传输不仅是理论研究的重点，也对显著提高设备的运行性能和稳定性具有重要意义[[27], [28], [29]]。对于低温氢系统，电荷传输和耗散特性受其极低电导率和独特热环境的影响。先前的研究人员已经研究了液态氢的电荷耗散特性及其关键参数的测量。Cassutt等人[30]对液态氢储罐中的电荷积累现象进行了实验研究，结果表明由于液态氢的极低电导率，电荷容易在储罐中积累。他们还尝试测量液态氢的导电性，但由于测量设备的限制，得出液态氢的导电性小于10?17 S/m的结论。基于Cassutt等人的工作，Willis[31]使用稳态电流法和电荷衰减法测量了液态氢的电阻率，计算出液态氢的导电性约为10?18 S/m。关于离子传输行为，Comber等人[32]基于电子束激发实验获得了不同温度下液态氢中载流子的漂移时间，并推断出迁移率约为10?7 m2/(V·s)。Bustin和Dukek[33]指出，对于导电率低于10?13 S/m的流体，电荷耗散的驱动力是扩散效应，电荷耗散率与电荷密度的平方成正比。这些研究不仅有助于理解液态氢中电荷的耗散特性，还为液态氢中的电荷传输建模提供了关键的数据支持。
目前，关于液态氢在运输和储存过程中的静电特性的研究已经通过实验和数值方法得到了发展。在实验研究方面，由于液态氢的危险性，通常使用液态氮作为安全替代品来研究湍流状态下的流动电离机制[34]。最近，Sun等人[35]开发了一个专用的低温测试平台，并首次直接测量了液态氢管道流中的流动电流，揭示了电荷积累的线性增长趋势。在数值模拟方面，研究范围从稳态管道流扩展到了复杂的储存系统。Liu等人[36]研究了液态氢在管道中的流动电离现象，确定了流速和管道尺寸对电荷饱和度的影响。对于储存场景，Liu等人[37]首次对液态氢储罐进行了数值研究，表明加注参数显著影响了非各向同性的电势分布。尽管在液态氢的静电特性研究方面取得了一些进展，但其动态电荷传输行为尚未得到充分探索。实际上，液态氢中电荷的传输行为直接决定了其在储罐中的空间分布，而这种分布又影响了静电场的发展。因此，阐明传输行为对于基本理解静电特性和制定液态氢储存系统的安全协议至关重要。
基于此，本文以美国国家航空航天局（NASA）设计的多用途氢测试床（MHTB）作为研究对象。与以往主要使用静电模型的研究不同，本研究开发了一个动态多物理场模型，结合了两相流体动力学、静电学和电动力学来研究液态氢加注过程中的电荷传输。这种方法能够更准确地描述电荷分布，从而更可靠地评估瞬态电荷传输特性。此外，为了避免使用单一评估指标的局限性，提出了两个互补的指标——最大电荷密度（MCD）和电荷分布不均匀系数（CDUC），以全面评估电荷积累的强度及其空间分布。与以往强调几何优化的研究不同，本研究侧重于操作安全设计。通过引入基于“尽可能低的风险”（ALARP）原则的定量风险框架，系统评估了加注参数和接地范围对电荷传输特性的影响。这种方法将电荷传输演变与量化风险水平相结合，以确定最小化静电风险的推荐操作范围。最终，本研究阐明了低温氢系统中的多物理场耦合机制，并为液态氢加注操作的静电安全设计建立了定量基础。
