氦气在空气中扩散规律实验研究

论文总字数：25003字

摘 要

为应对氢气泄漏的突发事故，需要实现氢气在空气中扩散行为规律的掌握和对氢气浓度在空间中分布的预测，从而更好地控制氢气泄漏现场。氦气具有和氢气相似的物理性质，所以代替氢气进行实验室内气体扩散实验，阐述了泄漏地面、泄漏速度对氦气扩散行为的影响，实验具有可重复性。使用多元回归预测分析方法，研究选择泄漏时间、距离泄漏中心位置为主要影响因子，对空间中氦气的浓度进行预测。基于SPSS软件和excel软件，对实验数据进行多元回归分析，得到泄漏浓度的预测公式，进行模型的显著性检验。结果表明，多元回归分析方法在气体扩散行为的探索中是有效的，并且 总结后得到的研究方法可为后续相关研究提供依据。

关键词：氢气泄漏；氦气扩散规律实验；浓度预测；多元回归；SPSS

ABSTRACT

In order to cope with the sudden accident of hydrogen leakage, it is necessary to master the law of the diffusion behavior of hydrogen in the air and predict the distribution of hydrogen concentration in space, so as to better control the hydrogen leakage site. Helium has similar physical properties to hydrogen, so instead of hydrogen, the gas diffusion experiment in the laboratory is used to explain the effect of leakage ground and leakage velocity on the diffusion behavior of helium. The experiment is reproducible. Using multiple regression prediction analysis method, the selection of leakage time and distance leakage center position as the main influencing factors were used to predict the concentration of radon in space. Based on SPSS software and excel software, multiple regression analysis of experimental data was carried out to obtain the prediction formula of leakage concentration, and the significance test of the model was carried out. The results show that the multivariate regression analysis method is effective in the exploration of gas diffusion behavior, and the research methods obtained after summarization can provide a basis for subsequent related research.

Key words: hydrogen leak; helium gas diffusion law experiment; concentration prediction; multiple regression; SPSS

目 录

摘要 3

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状 2

1.3 研究的目的 4

1.4 实验探究的内容 4

第二章 实验设备及试验方法 5

第三章 多元回归分析方法 12

3.1 多元回归预测模型建立的基本思想 12

3.2 多元回归方程的显著性检验 12

3.3 数学分析软件SPSS 13

第四章 实验测试 15

4.1 模拟沙地面的氦气泄露实验 15

4.2 用其他材料填充盒子的氦气扩散实验 16

4.3 实验可重复性探究 17

4.4 探究泄露速率对实验结果的影响 17

第五章 数据整理与分析 18

5.1 初设扩散模型合理性的判断与实验过程优化 18

5.2 扩散实验盒填充物对氦气扩散的影响 23

5.3 沙地对氦气在空气中扩散规律的影响 28

5.4 实验具有可重复性 30

5.5 泄漏速度对氦气扩散规律的影响 36

第六章 基于SPSS软件的多元回归分析模型应用 39

6.1 多元线性回归分析 39

6.2 多元非线性回归分析 41

第七章 结论 45

致 谢 46

绪论

引言

氢作为一种能量密度很高的清洁燃料[1]，它的燃烧值为121061kJ/kg，对比其他常见燃料，汽油的燃烧热值为44467kJ/kg，甲烷的燃烧值为50054kJ/kg，甲醇的燃烧值为20254kJ/kg，乙醇的燃烧热值为27006kJ/kg，其中氢的燃烧值是最高的。氢和氧的燃烧产物是水，清洁无污染。氢的制取原料来源广泛，可使用电解水小规模制取，甲醇制氢进行中等规模制取，天然气蒸汽重整进行大规模制取[2]。综上，氢气作为一种清洁高能燃料，它制取原料来源广泛，可应用于航天发射、清洁能源、化学工业、燃料电池等诸多领域。

随着氢能源的发展，氢需要大规模储存与运输。出于可行性与经济性的考虑，多以液氢的方式进行,因为液氢在运输成本上有不可替代的优势[3]。由于氢本身的物理化学性质，氢气在某些情况下会发生积聚形成易燃易爆混合气体。由于液氢的低温特性，一旦液氢储运设备在运输过程中发生事故，大量液氢泄漏形成的液池与蒸发形成的蒸汽会给周围人群和建筑带来威胁。在此背景下，液氢的安全储存问题必须得到足够重视。

氢气或者液氢泄漏可能给周围环境和人群带来的危害主要有物理爆炸、化学爆炸、生物窒息和低温伤害等[4, 5]。无独有偶，历史上曾有过多次意外的液氢泄漏和氢气爆炸事故，这类事故所造成的经济损失和人员伤亡情况皆是惨重的，在那个缺乏意外防护措施的年代，人类为之付出了惨痛的代价。据相关文献记载[4, 5]，在1937年5月6日发生的兴登堡灾难，在1986年1月28日发生的挑战者飞船灾难，在1989年10月23日发生的帕萨蒂纳维修事故等。根据相关实验研究结果[8, 9]，液氢扩散主要包括以下三个阶段：第一个阶段是液氢在泄漏口处闪蒸，大量处于饱和状态的液氢迅速蒸发；第二个阶段是液氢与周围环境进行对流、辐射换热，不断蒸发成为氢气；第三个阶段是未蒸发的液氢在地面上形成液池，液氢发生模态沸腾，随着地面温度的降低，也可能发生其他模式的沸腾。伴随着着三个阶段的进行，空气中的氮气、氧气和水蒸汽由于过低的环境温度而发生液化甚至凝固。液化气体的释放通常导致在地面上积聚和形成液体池[10]，其根据溢出的体积和释放速率而径向地远离释放点扩大，并且立即开始蒸发。池的平衡状态取决于外部的热量输入，对氢占主导的热源是从地面输入的部分。而且在液体和固体地面，蒸发行为主要是不同的。氢泄漏至地面形成液池过程和蒸发扩散过程受到许多因素的影响，如泄漏源特性、气象条件、地面特性和障碍物等。

研究现状

目前，在研究液氢在空气中的扩散规律时，周围环境是影响液氢扩散的重要因素，受气候条件如风速、风向、湿度等因素的影响，譬如开阔地带或者城市环境，室内与室外等场合之间存在着显著的区别。而国内对液氢的研究主要集中在液氢的输送、存储过程等[11-14]，针对液氢扩散的实验研究还没有太多的展开。

正是基于液氢巨大的经济价值和巨大泄漏事故危害的双重特性，相关组织机构对液氢泄漏进行了一系列的实验，并对液氢泄漏的后续行为特征提出了许多数值模拟方法，从而为制定更好的应对措施，减少液氢泄漏所带来的各种危害提供指导。美国国家航天局（NASA）进行了一系列大规模液氢泄漏扩散实验[15]，研究人员在实验基地不同位置布置9座监测塔，每个监测塔上分布有多支气体取样瓶、氢气浓度检测器、风速扰流指示器、温度传感器等，同时记录下当时的环境参数，实验结果表明，从开始倾倒到液氢蒸发结束，液氢的蒸发时间约为43s，可见云持续时间约为90s，可燃氢气在下风向的最远距离达160m，可燃氢气在高度方向的最远距离达64m[16]。1980年的NASA液氢实验[17]尝试分析Cape Canaveral的肯尼迪航天中心里3000m3的液氢储存罐爆炸情况，并研究大规模氢气云团在大气中的传播。这个泄漏实验由七个系列实验组成，其中5个实验里体积5.7m3的氢气近地释放的时间跨度为35-85s。最终得出结论最大池半径不超过3米。

德国材料检测协会（BAM）进行了在有建筑物存在的情况下的液氢倾倒扩散实验[18]，研究人员在液氢泄漏位置出口设立了6个监测位置，在监测位置都布置了温度传感器与氢气浓度传感器，同时记录下了当时的风速、风向、环境温度、空气相对湿度等环境参数[16]。实验结果表明，在空气湿度较大的情况下，水蒸气云的体积比可燃气体混合物的体积要大的多。液氢在倾倒开始后会迅速蒸发，地面上的液氢池可达到最大半径约为1m。1994年，BAM进行了小规模液氢释放实验[19]。其中有四个实验，Julich实验中心（FZJ）通过测量液氢两个方向池扩散半径与时间的函数关系，研究了更多池扩散行为的细节。液氢的释放是在水面，在液氢和水面接触后，封闭的池形成，清晰可见，几乎没有被凝结水蒸气的白云团覆盖。“平衡”池半径不是保持不变，而是在距离中心0.4-0.6m的范围内向前和向后移动。

E.G. Merilo等[20]进行了氢泄漏扩散爆炸实验。实验中根据不同泄漏量、通风量进行了10组实验，得到车库上部区域氢平均体积分数为16.2%，平均最大峰值过压为0.769kPa。当泄漏量小于4.9kg/h时，危险在于氢气-空气混合物的爆燃。除泄漏量为6.7kg/h外，不同通风量下由爆燃引起的过压均较小，不至威胁人体安全。

国内相关方面的研究相对较少。其中北京航天试验技术研究所[12]对氢氧发动机实验台的液氢泄漏扩散进行了模拟研究[16]。

通过研读国内外学者和机构的研究成果报告，有助于之后的研究者理解氢气扩散现象背后所蕴藏的行为规律，有助于我们进一步探究其中的物理模式，进而制定出合理且有效的安全防护措施，以应对意外的氢泄露事故。

由于液氢的爆炸特性，具有危险性，以及实验条件的限制，直接采用液氢实验所需的费用高，重复进行多次实验的可能性较低，而可以使用液氦代替液氢进行扩散实验。一方面，液氦在实验过程中没有燃爆的风险，实验的危险性降低；另一方面，氦气的物理性质与氢气的物理性质相似,氦气和氢气的热扩散和热导率很接近,因此用氦气代替氢气进行实验是一种可行的方案。

现阶段实验仍然存在一些不足：由于已进行的实验数量较少。实验多在开放的场地进行，现场的环境参数不可控。这一方面使得实验失败的可能性大大增加，另一方面各个环境参数对氦气扩散的影响也无法直接用实验来进行验证；实验研究和模拟多集中于低温氢气云团在大气中的扩散时，监测点氢气浓度以及最低燃烧极限范围随时间变化的特点和规律，缺少对液氢泄漏形成的地面液池扩散和蒸发特性的深入研究，以及后续的氢气云团扩散的规律；研究者往往先使用CFD等软件模拟，再用实验检测某点浓度，以验证软件模拟的准确性的方式来研究氢气扩散规律。

回归分析方法的特点是，利用数理统计的原理来建立因变量和自变量之间的函数关系。近年来，国内外研究者利用多元回归分析方法进行预测分析，在预测和决策研究中发挥了重大作用。王晓鸥[21]使用多元回归统计分析方法，目的是建立城市地下水水位埋深预报模型，拟合结果表明该模型的计算值和实际测量数据拟合较好。李孝朋等[22]基于多元回归分析方法，研究矿井累积采空面积、涌水量的累积煤炭产量等因素，用以预测矿井涌水量，进一步通过实例检验表明该模型具有较高的精度。许巧玲等选取空调冷源功率、建筑的面积等8个影响能耗的因素，基于多元统计的方法建立了酒店能耗的二次回归模型，并且验证出该模型的准确性和实用性。蔡武等[24]使用偏回归平方和参数，对矿井内的瓦斯涌出量建立多元回归分析模型，预测结果表明优化了对矿井瓦斯涌出进行预报和控制的方法。崔永杰等[25]基于SPSS线性回归分析功能，可得瓦斯含量与基岩厚度、埋深、煤层厚度之间的关系，分析多因素影响的瓦斯含量赋存规律。然而，目前将多元回归分析预测模型应用于氢气或者氦气在空中的扩散规律探究的研究资料尚少。

研究的目的

本课题在气候模拟舱中实验，采用氦气作为扩散介质，热导氦气传感器作为测量仪器，记录温度与氦气浓度，输出数据使用安捷伦进行采集。在模拟舱中研究无风条件下，沙地面上氦气蒸发后扩散的行为规律，为后续研究液氢的扩散提供研究基础。

研究氦气在空气中扩散规律时，可用回归分析方法建立因变量（氦气浓度）和自变量（影响因子）之间的数学关系式。如果影响因子有两个或两个以上，则属于多元回归分析。根据建立的回归方程可以分析氦气在空气中扩散时的浓度变化情况，并可以利用拟合方程式对将来某时刻的氦气浓度进行预测。

实验探究的内容

1.在多功能环境仓中搭建氦气泄漏实验台，进行模拟氦气蒸发实验。

2.基于氦气扩散的行为特征，根据实验数据绘制图表，比较研究各个实验组的结果，从实验方面对氦气浓度随时间变化的空间分布规律进行研究。并最终给出以氦气浓度为因变量，与多个自变量空间坐标和时间之间关系的拟合方程式，以起到氦气扩散浓度预测的作用。

3.探究内容：

（1）探究无风情况下氦气的扩散行为规律。

（2）考虑沙地面扩散对氦气扩散的影响。

（3）利用SPSS软件对实验数据进行多元回归分析，探究氦气浓度预测方法。

研究方法

1.查阅大量关于低温气体泄漏扩散实验的文献。

2.查阅大量关于多元回归预测分析的文献。

3.熟练掌握并能灵活使用SPSS软件进行数据处理和数学分析。

4.利用多功能环境及气流模拟舱进行实验。为了对液氢扩散过程更为准确地比较与分析，在实验进行前，记录下环境舱外的温度、湿度和大气压力。同时也在环境舱中送风处布置风速传感器，记录实验进行时的风速，在环境仓的四个角落布置温度和湿度传感器，记录实验进行时的环境温度和湿度。为了获得准确的液氦扩散的行为特征，预计根据实验内容要求在环境舱中布置9个测量点。

实验设备及试验方法

试验台的设计搭建

1.目前已建成的多功能环境及气流模拟舱可以较为准确地实现实验所需的各种条件，环境舱的使用也已熟练掌握。多功能环境及气流模拟舱位于东南大学航天低温推进剂技术国家重点实验室东南大学基地，环境舱长约3.8m，宽3.6m，高2.7m，占地面积34 ,体积40。环境舱可模拟12种气流组织，温度控制精度为温度调节范围为（5-45），空气湿度控制精度为，湿度调节范围为（30-90）2%，洁净度为10000级，风量调节范围为0-1000 。配有风系统、水系统，其中风系统可实现全新风、一次回风、二次回风和全排风，机外余压350Pa；水系统采用开式定流量系统，环境舱如图1（a）、1（b）所示。

图1（a）.环境舱外

图1（b）.环境舱内

2.本次实验采用竖直向下方式输送氦气，氦气的扩散装置如图2(a)(b)所示，管道内径为4 mm，扩散装置中心的盒子的尺寸为，在盒子中倒入细沙并填满，氦气的送气出口埋入沙中，在沙盒的上表面均匀布置有直径约为4mm的孔洞。在盒子上表面正中心处设有风速仪，用以测量中心处的风速。该扩散装置旨在模拟初速度很小的均匀的氦气扩散。

图2 (a).氦气扩散装置示意图

图2 (b).氦气扩散装置俯视图

3.在环境仓的四个角落布置温度传感器和湿度传感器(7798 Green Eye)，在环境舱中心放置实验板，将氦气扩散装置设置在实验板中心，将氦气用细管通入扩散装置中，此时氦气释放地面为沙地。为了获得准确的氦气扩散的行为特征，在环境舱中在沙地表面布置有多个氦气浓度测量点，每个测量点均布置有浓度传感器和热测温电偶（TT-T-24-SLE热电偶），同时记录温度与氦气浓度，输出数据使用安捷伦进行采集。安捷伦与氦气扩散启动装置皆设置在环境舱外部。

实验测定仪器

实验所需的氦气浓度传感器由航天低温推进剂技术国家重点实验室提供。根据提供方所给的信息，氦气浓度传感器的测量精度为0.001，测量范围为0 % -100 %，响应时间50 ms，满足实验所需的精度要求。

记录九个测量点处液氦泄漏扩散时温度所需的热电偶（图3，TT-T-24-SLE热电偶）、记录环境舱内与环境舱外温度和湿度所需的仪器7798 green eye（图4）。所有实验中使用的测量仪器均已经过了校正。实验使用的氦气浓度传感器（图5）是由101航天研究所提供，仪器已经经过研究所方面标定。

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