随着绿色低碳战略的实施，甲醇、氨和氢气等新能源在船舶上逐渐得到应用。相对于常规燃料，氢燃料在船上应用为船舶消防安全带来了新的挑战。从目前现实需求来看，尽早自主开发船舶可燃气体泄漏扩散爆炸仿真专用软件势在必行。以氢燃料船舶为例，需要根据氢气可燃气体的燃烧爆炸特点，结合可燃气体爆炸仿真软件发展现状，根据行业需求制定开发方案，助力行业高质量发展。
▣ 氢气的物化属性及燃烧爆炸事故类型
可燃气体发生火灾爆炸事故的主要原因就是发生泄漏，扩散形成可燃气体，碰到点火源后发生火灾或爆炸，氢气也不例外，但氢气的以下物化属性导致其发生火灾爆炸的过程与危害与其他可燃气体有所不同。
泄漏扩散特性：相对其他可燃气体，氢气的泄漏速率和扩散速率更高，氢气泄漏在层流状态下，氢气的泄漏速率约为甲烷的1.26倍，湍流状态，氢气的泄漏速率约为甲烷的2.83倍，而氢气在高压条件下，通常是以湍流状态泄漏。另外，氢气极易扩散，其扩散速度约为甲烷的3.8倍。在非受限空间内，一旦发生意外泄漏，氢气会迅速上浮并向四周扩散。在受限空间，氢气泄漏后容易在处所顶部集聚，并与空气快速混合形成可燃气体。
燃烧爆炸特性：相对其他可燃气体，氢气的燃烧速度达到2m/s，是天然气燃烧速度的5倍，氢气的空气混合物燃烧极限范围较宽，为4.1%~74.1%，而天然气的燃烧极限为5.3%~15%，氢气的点火能很低，最小点火能为0.02MJ，而汽油和天然气的点火能为0.3MJ。氢气的低点火能，导致氢气在高压条件下发生泄漏时，在射流前方产生激波，使氢气与空气的混合气体压缩升温，发生自动点燃，在几毫秒之内就会转变成爆燃，最终形成喷射火。
基于以上物化属性，氢气泄漏发生火灾爆炸事故，通常为以下四种形式：
(1)无燃烧泄漏扩散，即氢气只发生泄漏扩散，没有发生自点火或遇到点火源。
(2)氢气泄漏，其射流直接遇到点火源，被点燃形成喷射火。
(3)氢气泄漏，在高压作用下，形成激波，发生自点火，通常会形成喷射火。
(4)氢气泄漏，扩散后与空气混合形成可燃气体混合物，遇到点火源，发生爆炸或爆燃。
由此可见，氢气发生泄漏后引发火灾爆炸事故的过程和后果，相对常规火灾燃烧蔓延的过程更为复杂。仅2019年，挪威、美国就相继发生多起氢气爆炸，事故起因分别是氢气云爆炸和氢气自燃引发的连锁爆炸，我国也发生过多起氢气相关火灾爆炸事故。
氢气能源如在船舶上应用，受船舶特殊工况、处所通风、点火源分布等影响，一旦发生泄漏，其引发火灾爆炸的风险更高，需要综合考虑氢气燃料的状态、处所结构、环境温度、通风条件、点火源分布等边界条件，才能对其火灾爆炸动力学行为、危害和控制措施进行深入研究。
▣ 国内外软件现状
目前国际较为成熟可用于爆炸模拟仿真的软件主要有FLACS、ANSYS AutoReaGas、Fluidyn和PHAST软件等，目前国内尚无火灾爆炸模拟商业化软件，仅合肥工业大学在近期开发完成的一款火灾爆炸模拟软件Exfire相对成熟。
由挪威Gexcon公司开发的FLACS(Flame Accelaratition simulatation)软件，采用3D建模,可以较为直观的仿真CFD过程，可用于气体流体流通与扩散、蒸汽爆炸和爆破过程模拟仿真,可对多种爆炸风险进行定量评估,主要用于石油和天然气工业、核工业、粉尘爆炸等领域和设施。
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由美国世纪动力公司(Century Dynamics)和荷兰TNO公司联合开发，后被ANSYS收购的ANSYS AutoReaGas软件，是一款三维计算流体分析软件，主要用来模拟气体爆炸与由此引发的冲击波效应，比较擅长专门设计拥堵和受限结构导致冲击波传播过程中形成超压的计算，在进行设备或结构对爆炸的响应计算时，AutoReaGas计算结果数据可以输出到结构分析软件，如AUTODYN(显式)和ASAS(隐式)结构分析软件，进行爆炸结构动力响应分析。该软件主要用于海上平台、化学制药、电厂、采矿和运输安全和风险分析领域。
Fluidyn由法国FLUIDYN公司开发的，基于三维计算流体动力学，专门用于工业事故风险分析及环境污染模拟，针对不同的领域应用，开发了一系列的仿真模块，主要包括fluidyn -PANACHE(大气污染扩散及空气质量评估仿真)、fluidyn-VENTIL(（受限、半受限空间内通风、火灾、爆炸仿真)和fluidyn-MP(通用多物理场仿真)，其中VENTIL又包括VENTCLIM、VENTFIRE和VENTEX模块，分别用于通风扩散、火灾和爆炸仿真，能够进行三维气体、粉尘和固体在封闭和开放区域的爆炸(蒸气云UVCE气云，易爆区域，筒仓，发酵罐，海上平台，碳氢化合物/武器仓库，等等)，也可进行爆炸结构动力响应计算。
PHAST是由DNV开发的安全风险计算软件，包括泄漏模块、扩散模块、爆炸模块和毒性模块(包括燃烧性和毒性)，可进行液相、气相或者汽液两相泄漏，液池蒸发、气体扩散、液体沸腾膨胀蒸汽云爆炸(BLEVE)、喷射火、池火、闪火、蒸汽云爆炸和毒性气体扩散等方面的仿真计算，主要应用于石油石化、危险品运输、核工业等。
合肥工业大学在多项国家重点研发计划项目、国家基金等项目的支持下，历经20年自主开发的火灾爆炸仿真软件Exfire，主要包括泄漏、燃烧和爆炸3个核心模块，具有燃烧模型、热解模型、烟颗粒生成模型、辐射模型、传热模型和蒸发模型，可以对气体的泄漏扩散、低速油池火、高速喷射火和固体火蔓延，在复杂计算域和超大区域内的气体爆燃、爆炸等进行仿真计算。与氢气相关的爆炸模拟达到了国际先进水平，并已应用于氢能工业、电力和核能等领域。
▣ 自主研发船舶可燃气体泄漏扩散爆炸仿真软件的必要性
为确保锂电池、氢燃料电池等新能源在船舶上的安全使用，包括新能源汽车运输船舶的安全载运，需开展涉及可燃气体泄漏、扩散、集聚、爆燃、消防措施的有效性等复杂过程的数值模拟仿真。为开展新能源动力船舶和新能源汽车载运船舶的消防安全仿真计算和风险评估，需要专业化的软件工具和数据库支撑。而目前可燃气体燃料泄漏扩散爆炸仿真软件主要针对陆地建筑或海洋平台，不能满足船舶常见的复杂结构封闭处所小开口环境条件下和船舶新能源典型燃料如氨、甲烷等的计算需求。因此，需要针对船舶典型结构处所环境参数、限界面物理特性、典型火灾危险源、典型火灾载荷、燃料状态和特殊火灾动力学特征等开展船舶专用可燃气体泄漏扩散爆炸仿真计算技术研究和软件开发，为船舶使用锂电池、氢燃料电池系统、氨燃料和锂离子电动汽车载运船舶消防安全的仿真计算、风险评估和设计优化提供技术手段。
国产软件，虽然已具备火灾爆炸模拟功能，且广泛应用于建筑、工业等领域的泄漏、火灾爆炸模拟研究和工程评估，但针对船舶特有的边界条件(复杂结构封闭处所小开口和船舶限界面物理特性等)、气体可燃物(天然气、甲醇、氨等)、固体可燃物(如木质品、纺织物、塑料等)、固体不可燃物(钢材、限界面包敷材料等)和液体燃料(液氢、液氨、甲醇等)的参数还很缺乏，需要结合船舶环境开展研究，开发一套适用于船舶行业的专业化工具软件和数据库。
▣ 自主开发技术思路
基于国内开发的火灾爆炸模拟软件，开展相应的实验、模拟和调研研究，获取船用材料的基础参数，进而建立可交互的船舶材料数据库，服务于泄漏、火灾、爆炸等数值模拟，全面支撑船舶安全研究、风险分析、规范制订和工程设计。
基本开发思路如下：
(1)基于成熟算法的船舶可燃气体泄漏扩散爆炸仿真计算软件开发
基于国内开发的火灾爆炸模拟软件核心算法，对船舶典型结构和边界条件计算需求的适用性研究，研究船舶可燃气体泄漏扩散爆炸仿真计算核心算法，开发船舶可燃气体泄漏扩散爆炸仿真计算核心代码。向客户应用需求，针对船舶典型场景功能需求，完善软件模型输入模块功能和计算输出模块功能。
(2)典型燃料燃烧爆炸属性参数研究
针对船舶新能源燃烧仿真计算需求，开展实验或文献调研，研究建立典型燃料(氢气、天然气、甲醇、氨等)燃烧属性参数数据库，包括可燃气体的基础参数如燃烧热、分子式、质量损失速率、层流烟点高度、热力学数据(比热、焓、熵)和层流烟点高度等参数。
针对船舶新能源爆炸仿真计算需求，研究爆炸模拟所需基础参数，建立典型燃料(氢气、天然气、甲醇、氨等)爆炸属性参数数据库，包括分子式、可燃气体成分与质量分数、反应模型及参数(指前因子、活化能、燃烧热)、层流燃烧速度、湍流燃烧速度等，开展实验或文献调研。
开展船舶可燃气体单步反应模型及输运参数研究，研究确定可燃气体单步反应的总级数和燃料的级数、指前因子、活化能等，进而根据自由传播层流火焰方程组和NASA组份输运系数库确定可燃气体及燃烧产物的输运系数，研究建立基于单步反应的甲醇、氨、天然气等典型燃料的火灾爆炸仿真模型。
(3)典型固体可燃物热解燃烧属性参数研究
根据船舶典型固体可燃物(如木质品、纺织品、PVC、电缆等)，研究确定固体可燃物的热解模型及模型参数(指前因子、活化能、碳化分数等)、密度、导热系数、表面发射率、热阻、点火能等，进而建立固体可燃物参数数据库。
(4)典型固体边界材料传热属性参数研究
针对钢材、限界面包敷材料、甲板敷料等典型固体边界材料，研究确定密度、传导系数、表面发射率、反射率等，进而建立固体非可燃物参数数据库。
(5)低温液态可燃物状态方程和热力学属性参数研究
针对液氢(沸点约-253℃)、液氨(沸点约33.5℃)、甲醇(沸点64.8 ℃)等可燃液体，可能存在低温或高压的情况，研究或调研建立液态状态方程和气体状态方程和热力学参数数据库。
船舶作为国际贸易主要运输工具，在碳减排战略驱动下的动力系统革命势在必行，因此开展替代燃料的安全评估急需船舶专用可燃气体泄漏扩散爆炸仿真软件。基于我国自主开发的火灾爆炸模拟软件，充分考虑船舶环境适用性，开发并不断完善船舶燃料和船用材料数据库，开发具有自主知识产权的船舶可燃气体泄漏扩散爆炸仿真软件是完全可行的。
本文作者：顾雅娟 陈国庆 庄磊 赵佳文
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