1 前言
國內的氫能發展正如火如荼的進行著，而氫的安全問題是氫能發展的一個重要環節。氫氣的易燃易爆（空氣中的爆炸極限體積分數4%-75%）特性以及其他的特性如材料氫脆等決定了人們無法忽視其安全性而單純討論產業發展，人們對氫氣的害怕最主要的應該是它容易爆炸，近期在美國、韓國都發生了氫氣設施的爆炸事件。做氣體爆炸分析計算的專業軟體應該不少，今天我們用FLUENT做一個氫氣爆炸的簡單案例。鄭重聲明：本案例只提供分析思路，不對其中的任何計算結果數據的真實性或者可靠性負責。
2 問題描述
在一個封閉的空間內均勻分布著氫氣體積分數為20%的空氣—氫氣混合物，環境初始溫度26.85℃，初始壓力為0Pa（表壓），某一時刻在中心位置引爆，計算爆炸後空間內的壓力和溫度變化情況。
3 建模與網格
建立如下的4m×4m的二維封閉區域，並進行六面體網格劃分，網格節點數約為10000。
4 邊界條件與計算設置
本案例採用FLUENT的部分預混燃燒模型來模擬氫氣的燃爆，部分預混燃燒該模型同時求解混合物方程和反應物推進方程來確定組分濃度和火焰鋒面位置，進行如下設置，注意概率密度函數PDF勾選可壓縮效應。
四周壁面採用絕熱邊界。
其他求解設置採用默認。
按照以下初始條件進行初始化：溫度26.85℃，壓力0Pa，速度vx=vy=0，進程變量為0（表示未發生化學反應），平均混合物分數為0.01704139，混合物分數變化為0。
這裡補充說明一下混合物分數的設置，混合物分數f的定義如下，其中Zi表示元素i的質量分數，下表ox表示氧化劑入口的值，fuel表示燃料入口的值。
實際計算中，常根據以下公式計算。
氫氣在空氣中燃燒的化學式為：
等價率r為：
空氣和氫氣的實際體積分數為80%和20%，於是當量比Φ為：
最終可以求得混合物分數f為0.01704139，我們可以初始化後看一下氫氣的體積分數為0.1988，與理論值0.2相差0.6%
對於混合氣體的引爆，採用patch打補丁方式，比如本案例在區域中心建立一個半徑為0.1m的點火區域。
將該區域的進程變量patch為1，表示發生化學反應。
最後，我們設置了中心位置，邊緣位置和壁面的壓力隨時間變化關係。創建了區域內壓力和溫度的變化動畫。
採用瞬態求解，時間步長0.001s。
5 計算結果
首先看一下三個壓力監測點的壓力變化情況，可以看出三個位置的壓力變化近乎一致，約350ms後，表壓力到了約560000Pa，可見爆炸壓力還是相當大的。
再看一下區域內的氣流流動情況，可以看出氣流從爆炸位置流向周圍，然後在壁面發生轉向，最後又流向爆炸中心，形成許多環流。
以下通過區域內的溫度和壓力動畫可以清晰地看到爆炸的瞬間過程。
溫度動畫：
壓力動畫：
參考文獻：受限空間可燃氣體爆炸數值模擬。