氢是一种很有发展前景的清洁能源,目前主要以气态或者液态的形式应用于航空航天、清洁能源等领域。由于氢的易燃易爆性,当氢发生泄漏时,就有可能给周围环境和人员带来很大威胁。因此,在推广使用氢能时,必须对氢气和液氢的泄漏进行深入的研究,提出合理有效的安全应对措施。本文的主要内容就是通过实验、物理模型和数值模拟的方法,对氢气和液氢在空气中的泄漏扩散特性进行研究,探究氢气泄漏流量、环境温度、环境湿度等对氢气泄漏的影响,初步建立氢气和液氢泄漏时的氢气扩散物理模型,为建立氢气和液氢泄漏时周边的安全监测与防护措施提供一些指导。首先本文详细阐述了氢气泄漏物理模型,详细介绍了用于数值模拟的Fluent软件、控制方程和湍流模型,作为本文比较物理模型和实验、物理模型和数值模拟的理论基础。其次,在多功能环境及气流模拟舱中进行氢气泄漏实验。实验时,保证舱内温湿度均匀恒定,无风,泄漏口周围没有任何障碍物。进行短时间持续稳定的垂直向上泄漏,记录泄漏口周围的氢气体积分数。出于安全性和可行性角度,使用氦气代替氢气进行实验。实验发现当氢气在无障碍空间发生短时间持续稳定向上泄漏时,泄漏口周围会迅速形成一个稳定的浓度场。随着泄漏流量的增加,中心轴线处氢气的浓度会成倍增加。随着环境温度的增加,氢气浓度在高度方向衰减加快。氢气泄漏流量的升高会增大可燃爆的范围,环境温度的升高会降低可燃爆范围的高度,环境湿度的增加会缩小可燃爆范围。然后,将氢气泄漏物理模型的预测结果与实验结果作对比。发现当无量纲高度/(9为95～195时,物理模型可以准确地预测中心轴线处的体积分数,当/(9大于195时,物理模型预测的结果会偏大。泄漏流量的大小对物理模型预测的结果有一定的影响,当为10～168时,预测的结果比较准确,当小于10或者大于268时,预测结果会偏大。物理模型对非中心轴线处体积分数的预测结果偏小。将物理模型的预测结果和数值模拟的预测结果作对比,发现环境温度和环境湿度越高,它们对可燃爆范围预测的结果偏差越大。在户外无障碍空间进行大规模液氢泄漏实验,该实验由航天低温推进剂国家重点实验室和北京101研究所进行。实验发现,液氢泄漏过程中的氢气浓度分布特性与氢气泄漏时的浓度分布特性有相似之处,在高度较低时,氢气泄漏物理模型可以较好地预测不同高度上的氢气最大体积分数。由于氢气泄漏物理模型中缺乏对环境风场和液氢泄漏过程中传热、相变过程等的描述,所以仍然存在一些不足。由氢气和液氢泄漏实验结果的分析可以发现,当氢气发生泄漏时,通过减小氢气泄漏流量可以有效缩小燃爆范围。当氢气泄漏流量无法控制时,可以通过增加环境湿度的方法来缩小氢气的可燃爆范围,降低发生燃爆的风险。当氢气或者液氢发生泄漏时,可以使用氢气泄漏物理模型对它们的可燃爆范围进行估算,初步确定发生泄漏时的最小安全距离,疏散该区域的人员以确保安全。