高压氢泄漏扩散：研究进展
抽象
氢能是一种可持续且可再生的绿色能源，其应用和推广是实现双碳目标的趋势。然而，由于氢气独特的物理和化学特性，在生产、储存、运输和使用过程中容易发生泄漏，可能导致燃烧或爆炸事故。因此，氢气安全问题限制了氢能的广泛应用和推广。本文简要介绍氢气的基本特性、氢脆及其泄漏风险。随后总结了泄漏点在高压氢泄漏扩散过程中的工作条件，包括几何形状、泄漏位置、初始压力、通风条件、泄漏大小、障碍物的影响，以及外部大气环境和泄漏空间对氢气扩散和运输的影响。文章还总结了现有氢气泄漏的风险识别方法，并总结了当前高压氢气泄漏扩散研究的不足和不足，同时为未来高压氢气泄漏扩散和利用的研究提供了展望。
介绍
目前，能源依赖主要依赖化石燃料，但根据统计数据，石油、天然气和煤炭的供应分别只能维持40年、60年和156年。然而，快速的人口增长导致能源需求持续增长。化石燃料短缺、环境污染、温室气体排放以及双重碳目标（即达到碳排放峰值和实现“排放碳”与“吸收碳”之间的平衡）促使人们更加重视使用可持续和清洁能源。氢气具有许多优势，如广泛来源、多样的制备方法、零碳或低碳排放、清洁能源，因此已成为21世纪有前景的新兴能源，有望取代传统化石燃料。此外，该项目还获得了国际社会的广泛关注。显示能源消耗，图2[6]显示氢气加气站数量的增长趋势。图示显示了2019年至2021年能源结构变化的趋势，新能源的推广和应用逐渐出现，尤其是氢能被广泛推广和应用。与此同时，氢气加注站的数量将迅速增加。到2022年，氢气加氢站数量已增至814个。
目前正经历向清洁能源的转型。作为次级能源，氢能的可再生性和低碳排放有助于促进能源结构多元化和能源安全。氢气可以由水、石油、天然气、生物燃料、污泥等多种材料生产[8]。氢气储存技术主要包括气态储存、液体储存和固态储存。气体储存主要涉及在罐内以高压压缩氢气，用于短期储存或通过天然气管道。气体储存主要用于氢燃料电池。液体储存主要通过在低温下将氢气压缩至约−253°C以实现储存，从而将氢气转化为液态。目前，液氢主要用于航空领域。固态储存主要将氢气储存在金属氢化物或纳米结构材料中的固体形式。固态存储主要用于材料的制备和利用[9,10]。由于储存过程中氢脆，氢气在储存或长距离运输过程中会降低钢材的宏观和显微拉伸强度、疲劳强度和断裂韧性。这些特性使得氢储存系统容易泄漏，容易在外部点火源下引发燃烧和爆炸。
然而，在不同储存条件下，氢气泄漏的扩散存在差异。在密闭和受限空间中高压储存氢气的释放和积累具有潜在危险性 ，而密闭空间中的扩散运输受环境因素影响，形成均匀或不均匀的浓度，在外部点火能量作用下经历不同程度的燃烧或爆炸;在激发波的作用下，可以形成喷射火焰[、层流火焰[20,21,23]和湍流火焰。如图3所示，地下停车场和高速公路隧道通常是封闭空间，高压氢气泄漏后通常有两种状态：泄漏扩散和泄漏点火。如果在泄漏后的扩散过程中遇到外部点火源，燃烧很可能会发生。在没有外部点火源的情况下，泄漏点上方会形成氢浓度梯度;如果泄漏过程中同时发生火灾，则是由泄漏过程中冲击波的能量引起，使高压氢气在泄漏口处形成喷射火焰;这类现象的原因通常由泄漏时的工作条件决定，如泄漏面积、泄漏角度和泄漏压力。影响高压储存系统氢气泄漏扩散的主要因素包括泄漏流量、压力、位置和方向、围护箱几何形状（围护箱的大小和形状、开口、障碍物的存在）、通风条件[25,26]以及围栏内外的大气条件[27]。泄漏后高压氢气可能在受限空间局部形成氢气云，该云中的浓度可达4.0%至75.6%，存在的点燃和爆炸风险。
氢的泄漏扩散行为是研究氢链燃烧的重要前提。因此，基于以往研究，本文回顾了高压氢气在运输和使用过程中发生的泄漏-扩散运输的研究方法及其影响因素，并介绍和总结了高压氢气泄漏时不同工作条件对扩散的影响，研究结果为后续氢链反应在不同点火能量的作用。
氢气的基本性质
氢是一种由元素氢组成的单一物质，氢只有一个质子和一个电子。它是宇宙中丰富的元素，无色、没味且没毒，通常以气态形式存在于大气中[28]。其化学式为H2分子量为2.01588。氢气的密度为0.089克/升（101.325千帕，0摄氏度），仅为空气的1/14，是已知密度比较低的气体。比较小点火能量为泄漏口压力对扩散律的影响高压氢储存目前被认为是储氢经济的方式。根据气体泄漏源压力与环境压力的比值，泄漏产生的气流可分为不同类型，如亚音速喷流[44,45]、临界状态喷流和欠膨胀喷流。高压储罐或管道泄漏通常会形成高压的欠膨胀喷射。因此，泄漏扩散在封闭空间中的泄漏与扩散封闭空间指的是相对孤立于外部、通风有限且自然通风不良，且足以让一人进入并执行非常规和断续作的有限空间。房间内的气流还会干扰泄漏后高压氢气的扩散。在封闭空间内燃料电池泄漏过程中，当氢气向车辆后部及空间上方泄漏时，扩散高压氢气泄漏的风险与隐性危险的识别氢气泄漏后发生事故的潜在风险对于氢能的安全开发至关重要，目前氢气事故风险评估的是氢气泄漏、喷气火焰、热辐射、爆炸和爆炸。从风险角度对氢泄漏事故的动态评估主要基于泄漏过程中实施的动态故障评估方法，
结论与展望
氢能大规模应用的瓶颈是安全问题，而高压氢气的泄漏、扩散和聚集点火是氢能安全应用中的重要问题。因此，本文基于以往研究总结了氢的基本性质、氢脆机制、氢泄漏风险，以及不同工作下高压氢泄漏和扩散的基本特性。