1.3.2 氢火灾
储氢的方式主要包括高压储罐储氢、液态储氢、金属氧化物储氢、碳基材料储氢以及化学储氢等。不管以何种方式储氢，由于结构疲劳、连接处老化或其他原因，可能会发生意外氢泄漏。在外界点火源的作用下，易发生火灾、爆炸事故。其中氢喷射火灾是较典型的一类，如图1-5。由于储氢压力高，一旦发生喷射火，影响范围可能会达到数十米。如何准确评估氢喷射火是当前氢安全应重点研究的一大课题。
图1-5 氢喷射火形态
氢气喷射火，绝大部分属于超声速射流燃烧。在喷口附近具有复杂的流场结构，包括一系列膨胀波、激波和压缩波等，通常会形成马赫盘。一般在喷射火参数计算中，采用名义当量直径代替喷口直径。
1.3.2.1 氢喷射火焰长度
氢喷射火焰长度的理论预测采用Delichatsios[15]提出的基于无量纲Froude数的火焰长度计算公式。具体如下：
（1-25）
式中，ue为喷射口速度，m/s；fs为当量比下燃料的质量分数；（ρe/ρ∞）为喷射气体的密度和周围环境气体密度的比值；dj为喷射口直径，m；ΔTf为火焰最高温度与环境温度的差值，K；g为重力加速度，m/s2；T∞为环境温度，K。当火焰是浮力驱动时，Frf较小；当火焰是动量驱动时，Frf值较大。
无量纲的火焰长度L'可表示为：
（1-26）
式中，Lf为可见火焰长度，m；d'为喷射动力直径
。
在浮力驱动的情况下（Frf<5），L'的表达式为：
（1-27）
在动量驱动的情况下（Frf>5），L'的表达式为：
（1-28）
1.3.2.2 氢喷射火辐射分数
Turns和Myhr[16]认为氢喷射火辐射分数与火焰驻留时间有关。
火焰驻留时间：
（1-29）
式中，Wf为火焰宽度近似等于，0.17Lvis，m；ρf为火焰密度等于，
，pamb、Mf（kg/mol）、Ru[J/（mol•K）]、Tad（K）分别为环境压力、化学计量比下氢/空气分子质量、普适气体常数和绝热火焰温度；Lvis为可见火焰长度，m；fs为计量比条件下燃料的质量分数；dsd为名义直径，m；ρsd、usd为名义直径处的密度（kg/m3）和速度（m/s）。
Molina等[17]研究表明，氢喷射火辐射分数正比于火焰驻留时间与ap
（ap为吸收系数，Tad为绝热火焰温度）的乘积。
Ekoto等[13]提出的氢喷射火辐射分数计算公式如下：
（1-30）
Studer等[18]提出的氢-甲烷喷射火辐射分数计算公式如下：
（1-31）
1.3.2.3 氢喷射火辐射热
（1）表面辐射发射功率
氢喷射火焰表面辐射发射功率可表示为：
（1-32）
其中，发射率ε定义为表面所发射的辐射能与同温度的黑体所发射的辐射能之比。
（1-33）
（1-34）
式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，与常数C1和C2有关，其值为σ=5.67×10-8 W/（m2•K4）。
（2）单点源模型
单点源模型认为，受热物体接收辐射热时，火焰的形状可以忽略不计。这个假设在近场不成立，主要用于远场辐射计算。因此，如图1-6所示，将氢喷射火焰中心作为辐射发射点，则距离为S处的辐射热可用下式计算：
图1-6 单点源模型
（1-35）
式中 qSPS——正对点源、距离为S的入射辐射热，kW/m2；
m——氢喷射火质量流率，kg/s；
τ——大气透射率；
Rr——辐射分数；
H——燃烧热，kJ/kg。
如果接收面不正对点源中心，而与其成角度φ，则：
（1-36）
也可变换式（1-36），通过实验测量qSPS，进而根据下式计算辐射分数。
（1-37）
（3）多点源模型[19]
相对于单点源模型，多点源模型将火焰轴等距离分成段，每小段采用一个点源来描述。那么接收面获得的入射辐射热为接收每个单点源辐射热的矢量和，如图1-7所示。值得注意的是：火焰高度的准确计算十分重要，建议至少采用20个点，这样计算的辐射热基本不依赖于点源数。
图1-7 多点源模型
同时，多点源被赋予的权重如下：
（1-38）
其中，1≤n≤N，为点源数。
在权重方程中，权重从w1线性增长至nw1，然后从n+1点的权重nw1线性减少。在很大程度上，这种处理方法来源于Cook等采用窄角度辐射热流计对大尺度喷射火测量。实验表明，辐射在火焰高度的0.75倍处达到最大值，也就是说n可取0.75N。
火焰外某处的入射辐射为：
（1-39）
式中 wj——点源j的权重；
τj——从点源j到接收面距离为Sj的大气透射率；
φj——接收面与点源j的视线和受辐射点法线之间的夹角；
F——辐射分数；
m——质量，kg；
H——燃烧热，kJ/kg；
Sj——从点源j到接收面的距离。
1.3.2.4 热烧伤
热烧伤是由氢火焰发出并被人吸收的辐射热引起的。与烃类火焰相比，氢火灾的辐射热要小得多。辐射热吸收量与许多因素成正比，包括暴露时间、燃烧速率、燃烧热、燃烧表面的大小和大气条件（主要是风和湿度）。氢火焰在白天几乎看不见，这也是受害者接近喷射火导致致命热烧伤的原因。相同量的氢燃烧的持续时间只有烃类燃烧时间的1/10～1/5，原因是：
①快速混合和火焰蔓延速度快导致高燃烧速率；
②浮升速度大；
③液氢的蒸气产生率高。
虽然氢的最高火焰温度与其他燃料的最高火焰温度相差不大，但火焰辐射热比天然气火焰小得多。
烧伤可能造成的损害程度取决于其位置、深度以及涉及的体表面积。烧伤根据受害者身体的受害程度进行分类：
①一级烧伤是表面烧伤，引起皮肤局部炎症，表现为疼痛、发红和轻度肿胀。
②二度烧伤较深，除了疼痛、发红和发炎之外，皮肤也会起水泡。
③三度烧伤更深，包括所有的深层皮肤，实际上烧伤区域的皮肤完全坏死。由于神经和血管受损，三度烧伤呈白色和皮革状，且相对来说疼痛少些。
烧伤不是不变的，可能会发展。在几个小时内，一级烧伤可能涉及更深皮肤组织，并成为二度，如晒伤第二天会起水泡。同样，二度烧伤也可能演变为三度烧伤。
一般而言，热辐射通量暴露水平的结果如表1-6所示。辐射热对人体的影响是热通量强度和暴露时间的函数。因此，人们普遍认为辐射热的危害必须用热剂量单位来表示，如方程所示：
式中，I为辐射热通量，kW/m2；t为暴露时间，s。
表1-6 热辐射通量对人体的危害标准[2]
表1-7给出了导致一级、二级和三级烧伤的紫外线或红外线辐射的热剂量。可以看出，红外辐射比紫外光谱中的红外辐射更危险。
表1-7 紫外或红外辐射引起的辐射烧伤数据[20]
