随着全球航运业加速向可持续绿色能源转型，氢动力船舶正逐渐成为未来航运的技术趋势之一。然而，氢气具有易燃、易扩散等特性，其储存和使用过程中的安全问题始终是行业关注的重点。
近期，Gexcon成功运用FLACS计算流体力学（CFD）软件，为一家知名的国际海洋工程公司完成氢动力客运渡轮的安全评估工作。该研究在船舶的“原则性批准”（Approval in Principle, AIP）阶段开展，通过精确的CFD模拟，为这款创新型客运船舶的安全建造与合规准入奠定基础。
面临的安全挑战
根据设计方案，该渡轮将配备多达10个氢气储罐（采用5x2矩阵配置进行排列），每个储罐在250bar的高压下，最大容积约为1,800升（折合氢气质量略多于30公斤）。为确保这一创新动力方案不会影响船舶的安全性，客户委托Gexcon对其拟安装的氢气储罐系统进行全面的火灾和爆炸危险评估，为后续设计优化提供科学依据。
解决方案
Gexcon针对氢气储罐开展气体扩散、爆炸及火灾模拟研究。研究基于FLACS后果模拟软件实施，该软件能够准确模拟真实世界的场景，并将复杂的几何结构和多变的环境条件纳入考量。
气体扩散模拟：研究重点评估4个氢气泄漏位置，分析在不同泄漏孔径和复杂风向条件下的气体扩散路径，从而确定易燃气云的最大影响范围。Gexcon重点分析氢气云是否会扩散至驾驶室或船桅设备区等含有潜在点火源的敏感区域。
爆炸超压模拟：Gexcon模拟氢气云被意外点燃后的爆炸冲击波传播过程，并量化评估爆炸超压对周边环境和设备的潜在影响。
火灾热辐射模拟：针对泄漏引发的喷射火，评估火焰的蔓延趋势和热辐射通量。Gexcon重点分析船员与乘客出入区域（包括驾驶室）在火灾中的安全性。
研究成果
研究结果表明，在没有任何减缓措施的情况下，部分特定位置发生氢气泄漏并引发爆炸事故时会产生显著的超压，这可能对驾驶室造成严重的结构性损坏，并直接威胁到人员的安全。因此，仅从事故后果角度来看，这些场景属于“不可接受风险水平”。此外，火灾模拟结果显示，当泄漏方向朝向驾驶室时，喷射火会冲击储罐并在防火墙上方发生偏转，导致驾驶室短暂暴露在超出钢材耐受极限的高强度热辐射下。不过，由于大多数高压泄漏火灾持续时间较短，发生严重结构损坏的可能性较小。
图1 FLACS爆炸火焰传播的最大影响范围
图2 FLACS模拟最大爆炸超压分布
图3 FLACS模拟喷射火热辐射通量及火焰分布
Gexcon强调，本项目采用后果分析方法，重点评估不同事故场景可能产生的影响范围和后果严重程度，未纳入事故发生频率的分析。研究选取了一系列具有代表性的泄漏场景，包括最坏情况下的泄漏场景，以全面了解设施在不同工况下的潜在影响。若开展进一步的风险评估，则可结合事故发生频率与后果分析结果，对各场景的整体风险水平进行综合评价。
基于FLACS的模拟结果，客户能够通过以下方式优化氢动力渡轮的设计：
● 识别额外的冗余、安全保护措施或修改方案，以改善泄漏场景；
● 优化紧急放空工况的排放持续时间及触发条件；
● 规划氢气储存区与驾驶室的安全间距，并优化驾驶室内侧的设计；
● 加装导流板，以改变喷射泄漏的方向或促进气体快速稀释；
● 在可能受到外力冲击的区域加装防落物保护，降低泄漏事件发生的可能性；
● 指导防爆（EX/ATEX级）设备的安装距离。
通过在船舶正式建造前采用这种前瞻性的设计验证方法，不仅有助于客户识别并弥补设计中的潜在缺陷，避免后期高昂的整改与重建成本，还可减少事故发生时可能造成的结构损坏，并保障渡轮上人员与乘客的安全。由此可见，利用CFD模拟结果能为氢能等清洁新能源在船舶领域的安全设计和决策提供可靠的数据支撑。
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