《International Journal of Human-Computer Studies》：Numerical study of hydrogen leakage, dispersion, and ventilation mitigation in confined car parks
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本研究针对氢燃料电池汽车在封闭停车场内泄漏所带来的潜在火灾与爆炸风险，采用计算流体动力学（CFD）模拟方法，系统研究了氢气在复杂受限空间内的扩散、积聚行为，并评估了多种通风布局的缓解效果。研究发现，向下泄漏时氢气极易在车底积聚形成高危区域，而将供气口在车位间交错布置并以55°角送风的策略能有效将氢气浓度控制在安全阈值以下。该研究为地下停车场的安全通风设计提供了关键见解，有助于推动氢能交通在城市基础设施中的安全整合。
想象一下，在未来城市的某个地下停车场，一辆氢燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle）安静地停放着。它代表着清洁交通的未来——零排放、高能量密度。然而，一个隐秘的风险可能正在酝酿：如果其车载储氢系统发生泄漏，这些无色无味的氢气在封闭空间内悄然积聚，一旦浓度达到4%体积分数的可燃下限（Lower Flammability Limit, LFL），遇到静电或微小火星，就可能引发火灾甚至爆炸。在开阔环境中，氢气密度极低，能迅速扩散，风险较小。但在像地下停车场这样结构复杂、空间受限的环境中，情况则截然不同。氢气倾向于在车底、天花板和墙壁附近积聚，形成危险的“易燃气袋”。尽管氢能安全至关重要，但过去的研究大多聚焦于氢气的生产、储存和转换技术，对于其在大型复杂受限空间，特别是商业地下停车场内的泄漏与扩散行为，关注相对较少。这个知识缺口可能导致风险管控失效，增加事故概率。为了填补这一空白，Casper Qing Lung Yong 和 Jundika C. Kurnia 开展了一项研究，旨在深入探究封闭停车场内氢气的扩散规律，并找到有效的通风缓解策略。相关成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。
为了回答上述问题，研究团队采用了基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的数值模拟方法。他们首先依据中国《车库建筑设计规范》（JGJ100-2015），建立了一个按比例缩小的（1/10尺度）半侧地下停车场三维模型，模型中包含代表车辆、结构梁柱、停车位、行车道、墙壁、天花板以及通风口等真实构件。研究在模型中布置了24个传感器，监测不同位置（如车位上方天花板、车道上方天花板、车后墙壁、车底）的氢气浓度。研究设定氢燃料汽车位于不同停车位（中间、左侧、右侧），并以不同方向（向下、向左80°、向右80°）从车底一个3毫米直径的小孔泄漏，泄漏率为1.37×10-5kg/s。研究通过对比标准k-ε、RNG k-ε、可实现k-ε和SST k-ω四种湍流模型的预测结果，最终选择了可实现k-ε模型进行后续模拟，因其在捕捉宏观扩散趋势和浓度稳定性方面表现较好。研究系统地评估了多种通风配置，包括单一供气口、全部五个供气口、结合抽气口的“吹-吸”系统，以及将供气口在车位间交错布置（偏移配置）并改变送风角度的策略。
模型开发与验证
研究基于Xin等人的实验工作，建立了缩尺停车场CFD模型。模型验证分为两步：首先，在简单的矩形密闭空间内模拟氢气泄漏，结果与De Stefano等人的实验数据在层流和湍流工况下均吻合良好，证实了模型捕捉基本扩散现象的能力。其次，在更复杂的缩尺停车场模型中，使用氦气（作为氢气的安全替代物）模拟泄漏，并将模拟结果与Xin等人的实验测量值进行对比。结果显示，对称模型（为节省计算资源仅构建一半停车场）的预测结果在大部分传感器位置与全模型及实验数据一致，证明了所建立模型的可靠性，可用于后续的扩散与通风策略研究。
无通风条件下的氢气扩散（基础案例）
在不开启任何通风系统的情况下，模拟揭示了危险的氢气积聚模式。氢气泄漏后，首先在车底（传感器C1附近）快速积聚，平均体积分数高达40%-70%，远超过4%的燃烧下限。由于氢气浮力，积聚的气体从车辆边缘向上蔓延，沿着车后墙壁上升，并在车辆正上方的天花板区域（传感器P8附近）形成积聚层。随着时间的推移，氢气层在天花板上横向扩散，最终覆盖整个天花板空间，并不断向下增厚。模拟结束时，超过一半的传感器监测到的氢气浓度接近或超过了可燃下限，表明整个车库处于高风险中。这凸显了自然通风（仅依靠出入口）不足以缓解氢气泄漏风险，必须依赖主动的机械通风系统。
通风系统的实施与评估
研究随后评估了多种机械通风策略：
- 1.
单一供气口：在供气管道上仅打开一个送风格栅，以8 m/s速度垂直向下送风。这显著降低了大部分区域的氢气浓度，但导致部分氢气被气流推向车后墙壁，在W2和W5传感器处形成局部积聚。
- 2.
全部五个供气口：同时打开所有送风格栅。这进一步改善了整体稀释效果，但能耗更高，且未能完全消除车后墙壁的积聚问题。
- 3.
结合抽气口的“吹-吸”系统：在保持送风的同时，在远端增加了抽气口。此配置有效降低了天花板区域的氢气浓度，但气流组织将部分氢气“困”在了车底区域，反而增加了车底传感器C1的浓度，与缓解车底积聚的主要目标背道而驰。
- 4.
偏移配置：将送风管道移至两个停车位之间，而不是正对车辆。初步测试（0°送风角）显示，气流能更有效地穿透车底空间，显著降低了车底（C1）和车后墙壁（W2）的氢气浓度，表现优于前几种配置。
优化送风角度
在偏移配置的基础上，研究针对不同泄漏方向（向右、向左、向下）系统调整了送风角度（0°至60°）。研究发现，存在一个“最优角度”，能最大程度地搅动车底停滞空气，将泄漏的氢气“吹扫”出来并导向出口。对于向右泄漏的情况，55°的送风角被证明最为有效，能在整个模拟期间将所有监测点的氢气体积分数持续控制在1%以下，远低于4%的安全阈值。对于向左和向下泄漏，55°角同样表现出色。
不同车辆位置与泄漏方向的验证
为了检验优化后通风策略（偏移配置，55°送风角）的鲁棒性，研究将其应用于车辆停放在左侧和右侧停车位，并组合不同泄漏方向（下、左、右）的多种场景。在所有九种测试场景中（中间车位3种+左侧车位3种+右侧车位3种），该通风配置均能成功地将整个停车场内的氢气浓度维持在安全水平（大部分远低于1%）以下。这证明了该策略对不同停车布局和泄漏方向具有良好的适应性和有效性。
通风速度与泄漏率的阈值研究
最后，研究探讨了通风系统的安全运行边界。通风速度阈值研究表明，对于最具挑战性的场景（车辆左停、向右泄漏），将送风速度从8 m/s降低至6 m/s时，部分传感器浓度会短暂超过1%（但仍远低于4%）；当速度降至4 m/s时，浓度会超过4%的燃烧下限。因此，维持8 m/s的送风速度是确保绝对安全的推荐值。泄漏率倍增研究显示，即使泄漏率增加到基础值的10倍（模拟更大规模的泄漏），优化的通风系统（55°角，8 m/s）依然能够将氢气浓度控制在4%以下，展现了系统在面对意外严重泄漏时的缓冲能力。
研究结论与意义
本研究通过系统的CFD模拟，深入揭示了氢气在复杂地下停车场内的扩散与积聚机理，明确指出了车底、天花板和墙壁是高风险积聚区。在评估了多种通风方案后，研究发现最有效的缓解策略是：将送风管道布置在两个停车位之间（偏移配置），并以55°角向下送风。该策略能产生引导性气流，有效清除车底积聚的氢气，并将其推向出口。即使在车辆位置、泄漏方向发生变化，甚至泄漏率增加的情况下，该策略依然能可靠地将氢气浓度维持在安全阈值以下。
这项研究的意义重大。首先，它填补了关于氢气在大型商业地下停车场（而非简单私人车库）内泄漏行为的知识空白。其次，它超越了单纯的扩散观察，提供了经过验证的、可操作的通风设计指南。研究结论为城市规划者、停车场设计师和安全规范制定者提供了关键依据，有助于设计更安全的氢能交通基础设施，降低氢燃料电池汽车集成到城市环境中的潜在风险，从而增强公众对氢能技术的信心，推动其大规模商业化应用。
