国内外学者针对厨房餐厅（家庭环境）、站场阀室、地下管廊与隧道等多种形式受限空间内掺氢天然气管道泄漏扩散规律开展了研究（表1）。

图2 国内外掺氢天然气管道泄漏扩散研究热点聚类图Fig. 2 Clustergram of research focuses at home and abroad

表1 国内外主要受限空间内掺氢天然气管道泄漏扩散研究情况表Table 1 Research on leakage and diffusion of hydrogen-blended natural gas pipelines in major confined spaces at home and abroad

在天然气管道中混入氢气会影响气源在家庭住宅中的使用安全性^[45]，因此了解家庭环境中涉及氢气事故场景的风险变化至关重要。聚焦于泄漏过程， Hormaza Mejia^[46]通过实验研究发现氢气与甲烷在螺纹连接处的泄漏速率相同，并提出涉及分子动力学的两步泄漏机制理论，即用一条具有显著相互作用壁的曲折泄漏路径来解释氢气与天然气的泄漏速率在典型低压气体基础设施中是相同的^[47]。

在扩散阶段的研究中，Li等^[22]通过实验模拟了某家用厨房内掺氢天然气泄漏扩散事故，将整个扩散过程分为气体积聚过程与通风过程。在初始泄漏阶段，在垂直方向上，空气中的掺氢天然气体积分数随地面高度的增加而增大；在通风阶段，随着风速增大，掺氢天然气云体积迅速减小。但当风速增大至一定程度，仍难以完全使掺氢天然气气体云消散，这主要是由于缺乏对流。

在积聚阶段，许多学者^[23-27]研究了掺氢天然气的浓度分布与分层现象。Thawani等^[23-25]通过数值模拟方法，研究了受限空间掺氢天然气泄漏后氢气与甲烷的扩散行为差异：由于氢气的扩散速率较快，因此掺氢比越大，气体向下部空间的扩散速率越快；掺氢天然气静置后受限空间内会出现甲烷与氢气分层现象，在竖直方向，氢气浓度、甲烷浓度均与地面高度呈正比关系，但在顶部空间氢气的聚集程度大于甲烷。李杜^[26]开展了掺氢天然气扩散及分层实验，研究发现，在不同流量与不同气体组分工况下泄漏气体在厨房内均有明显的浓度分层现象，且泄漏量小的工况分层现象更明显；此外，还发现当内部容器与外部环境之间的温差较小时，在容器内易发生分层现象^[27]。

在通风阶段，掺氢天然气的扩散是由浮力与风的共同作用驱动的，风对掺氢天然气泄漏扩散的影响一直是研究重点。Lowesmith等^[28]搭建了一个真实实验房间对掺氢天然气在密闭空间中的泄漏、积聚行为进行研究，并开发了一个综合风力与浮力驱动的数学模型来描述气体与空气混合后的扩散过程。研究指出，由于掺氢比增大，释放到房间中的气体体积流速增加。这导致掺氢天然气浓度升高，积聚区域体积增加。然而，氢气浓度增大会导致掺氢天然气浮力增强，进而导致房间内通风气流量增加，因此也一定程度上限制了掺氢天然气浓度升高的程度。Su等^[29]利用Fluent软件对掺氢天然气在家用厨房中的泄漏与扩散特性进行了数值研究。研究表明，当风速增至一定程度时，泄漏的气体很难在空旷空间积聚，这与Sun等^[30]的研究结论一致。

在站场阀室研究中，贾文龙等^[32]基于校正的Fuller模型与Fick扩散定律，建立了掺氢比0～15％的掺氢天然气多组分非理想气体扩散系数模型，修正了标准k-ε湍流模型中的组分输运方程。基于此，其进一步分析了某典型阀室与密闭压缩机工厂内掺氢天然气的泄漏扩散规律^[33]。研究表明，泄漏口朝向对掺氢天然气气体云团扩散轨迹的影响显著，气体总体按照先边界后中心的顺序扩散。当泄漏口朝向为水平方向时，气体先沿墙壁向上扩散，导致气体在墙角聚集；当泄漏口向上时，气体在顶部聚集量比泄漏口水平或朝下的工况多。俞进等^[34]研究发现，掺氢天然气爆炸下限扩散半径更小；天然气中混入氢气会导致泄漏口附近燃烧爆炸风险升高，但会减小气体扩散的危险区域范围，这是由于较低含氢量的掺氢天然气泄漏后氢气组分爆炸区域仅限于泄漏点附近。这与Li等^[35]、陈强峰等^[48]在掺氢天然气站场模拟研究中得出的结论一致，即掺氢比增大会导致泄漏点上方氢气组分爆炸区域的形成且扩大，但一定程度上限制了天然气爆炸范围向水平与垂直方向扩展。

风向是站场阀室研究中的关键影响因素，不同风速、风向下可燃气体云存在显著差异。宋玉彩等^[36]实验研究发现，当可燃气体云达到爆炸条件时，小风速场景下会产生更大的爆炸压力，事故影响范围也更广。在泄漏初期，风的存在会加速泄漏气体与空气混合形成可燃气云；在泄漏中后期，较大的风速会加快可燃气云弥散，这与Mei等^[37]的研究结论一致。此外，Tong等^[38]分析管道压力对站场掺氢天然气泄漏扩散后果的影响发现，在相同的泄漏条件下，管道压力增大会导致更多的掺氢天然气泄漏，从而促进易燃气体加速扩散。

在地下管廊相关研究中，由于燃气舱的空间约束，管廊内存在明显的燃爆风险，其危险性往往高于其他泄漏扩散场景。泄漏口方向与通风的相互作用对地下管廊中掺氢天然气泄漏扩散分布的影响是研究重点。段鹏飞等^[39-40]通过数值模拟方法分析管廊内掺氢比为20％的掺氢天然气管道小孔泄漏，结果得到：泄漏孔方向与孔径对掺氢天然气体积分数影响较大；当泄漏气体向通风的反方向扩散时，体积分数呈两次阶梯式下降；泄漏气体向通风的同方向扩散时，存在第2个峰值。张成龙等^[41]研究表明泄漏口朝向会严重影响贴壁掺氢天然气分布，二次流近壁区的掺氢天然气积聚更加明显。

在隧道相关研究中，主要讨论机械通风与自然通风对掺氢天然气泄漏扩散的影响。Han等^[43]利用Fluent软件分析了隧道内掺氢天然气泄漏扩散规律。在自然通风条件下，掺氢天然气以泄漏孔为中心向两侧对称扩散，气体会积聚在隧道顶部。与自然通风不同，正常机械通风减小了掺氢天然气的分布范围与浓度。Shao等^[44]建立了隧道三维数值模型，对CH₄与H₂的扩散行为进行对比分析。结果表明，H₂的扩散速度更快、浓度更高，与CH₄相比危险性更大。随着掺氢比增大，泄漏位置下游的掺氢天然气混合物浓度增加。当掺氢比超过20％时，隧道内安全风险显著增加。

可见，在受限空间发生泄漏时，容易出现掺氢天然气积聚并形成爆炸性气体混合物^[49]，因此针对泄漏环境制定合适的通风策略极为重要。数值模拟方法因其准确性、安全性及可操作性，成为最普遍的掺氢天然气管道泄漏扩散研究方法。大部分文献主要分析掺氢天然气泄漏扩散过程，讨论掺氢比、风、泄漏口特征及管道压力对掺氢天然气泄漏扩散过程与浓度分布的影响，模拟计算危险范围，并设计应急通风策略与报警器的布置，但大多数模型与模拟结果缺少实验验证，且鲜有全尺寸实验。

国内外学者针对架空管道、埋地管道及海底管道等大量非受限空间内掺氢天然气管道泄漏扩散规律开展了研究（表2）。

表2 国内外主要非受限空间内掺氢天然气管道泄漏扩散研究情况表Table 2 Research on leakage and diffusion of hydrogen-blended natural gas pipelines in major unconfined spaces at home and abroad

在架空管道的研究中，风、障碍物、掺氢比、管道压力以及泄漏孔特征是影响掺氢天然气泄漏扩散规律的主要因素。彭善碧等^[50]采用Fluent软件建立管道二维平面泄漏扩散模型，通过单因素与多因素耦合分析对掺氢天然气泄漏扩散的影响范围进行评价。结果表明，不同因素对掺氢天然气管道泄漏扩散范围的影响程度为：泄漏孔径＞风速＞掺氢比＞大气温度。随着风速增大，掺氢天然气在空气中的质量分数增加，且分布逐渐向下风向偏移，扩散高度减小，加速水平方向的气体积聚，这与王鑫等^[51]的研究结论一致。Lin等^[65]进一步研究发现，在较高的风速下，氢气体积分数分布会发生分层。可见，风速不仅影响掺氢天然气泄漏扩散范围，也改变掺氢天然气扩散轨迹与浓度分布。

在一定条件下，风与障碍物的耦合作用会促进可燃气云积聚。王鑫等^[51]研究发现，在不改变掺氢比与风速的情况下，泄漏孔与障碍物迎风侧之间聚集的气体浓度较高，且在该区域掺氢天然气扩散面积较大；随着障碍物升高，气流沿障碍物壁面被抬升的作用明显，水平与垂直方向扩散距离明显增大。Zhou等^[66]利用Fluent软件模拟了风场条件下城市交通流对掺氢天然气泄漏扩散的影响。结果表明，由于障碍物的高拥堵程度与风的作用，气体积聚在车流附近，车与车之间的狭窄空隙加剧了可燃气体云膨胀。当风向与泄漏方向一致时，掺氢天然气由于涡流效应聚集在再循环区，会造成严重的事故后果。

由于氢气与甲烷的扩散系数不同，氢气的扩散速度更快^[53]，因此探究不同掺氢比对架空掺氢天然气管道泄漏扩散后果区体积分数分布的影响一直是国内外研究热点。在国内，孙齐等^[52]研究发现，随着掺氢比增大，泄漏扩散后掺氢天然气的聚集量减少，降低了掺氢天然气气体扩散高度。在此基础上，彭善碧等^[50]、王鑫等^[51]也开展了掺氢比对掺氢天然气扩散影响研究。王鑫等^[51]研究发现随着掺氢比增大，甲烷气体云的扩散高度逐渐降低，这与彭善碧等^[50]的研究结论相反。陈俊文等^[67]分析探讨了典型情景下掺氢天然气的安全相关特性。研究表明，随着掺氢比增大，掺氢天然气的热辐射面积与潜在影响半径减小，而泄漏体积流量、泄漏扩散范围及可燃气体检查指数均有所增加。在国外，Shirvill等^[68]利用相互连接的管道搭建实验平台，开展CH₄-H₂混合物点燃产生的爆炸超压测量实验，对掺氢比的安全范围进行定量评价，发现在管道中增加体积分数小于25％的氢气不会显著增大爆炸风险。

管道泄漏源类型对掺氢天然气泄漏扩散危险区分布的影响仍是掺氢天然气泄漏事故研究重点。Li等^[55]通过数值模拟方法，对比不同管道泄漏源释放的掺氢天然气流场分布差异，基于反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)建立多因素耦合下3种管道泄漏源中掺氢天然气最大水平扩散距离的预测模型。结果表明，在相同工况下，管道内气体流动方向与泄漏孔法线夹角以及阶跃流动均会导致泄漏孔附近浓度场存在差异，水平管道端释放的气体浓度衰减速率大于垂直管道释放的气体浓度衰减速率。

关键参数受温度影响的变化规律及其潜在安全影响是开展掺氢管道精细化工程设计的支撑。陈俊文等^[56]从热力学角度出发，通过理论分析、数值模拟探究了温度对掺氢天然气泄漏扩散的影响。研究表明，低温将提高泄漏质量流量，并扩大水平泄漏后的扩散影响范围。

在埋地掺氢天然气管道泄漏扩散规律的研究中，埋深、土壤条件、掺氢比、管道压力及泄漏孔特征是主要研究因素。Su等^[57]指出不同因素对埋地掺氢天然气管道泄漏扩散的影响程度排序是：土体类型＞管道运行压力＞泄漏孔径＞泄漏方向＞掺氢比，即土壤渗透率与埋深对埋地掺氢天然气泄漏扩散的影响极为关键。刘刚等^[63]研究发现，当其他影响因素一定时，不同类型土壤工况下掺氢天然气含量与扩散范围从大到小为纯砂土＞纯壤土＞纯黏土，同时扩散半径与覆土厚度呈负相关关系。土壤的渗透率越大、埋深越浅，掺氢天然气扩散速度越快^[58，62]。相比传统的管道-土壤-大气整体建模，Liu等^[62]基于有限体积法与有限差分法，分别建立埋地掺氢天然气管道泄漏模型、地下渗漏模型及地上区域扩散模型，讨论了埋地掺氢天然气管道渗漏后压力、体积、温度参数的瞬态变化、连续渗漏气体在土壤中流动、气体向地面渗透及其在大气中扩散的全过程，实现了管道流-渗流-扩散模型的耦合分析。

众多学者针对泄漏口特征与管道压力对埋地掺氢天然气管道泄漏扩散的影响开展了实验、数值模拟研究。研究表明，埋地掺氢天然气管道泄漏扩散的垂直、水平范围均与泄漏孔尺寸、压力正相关^[59-60]，泄漏口位置主要影响掺氢天然气云团的分布^[63]。

此外，掺氢比对掺氢天然气泄漏率与扩散后掺氢天然气浓度分布的影响也是研究重点。在数值模拟方面，胡玮鹏等^{[57-58，60-61，69]}建立埋地管道的泄漏扩散模型，分析不同掺氢比对泄漏扩散特性的影响。随着掺氢比增大，掺氢天然气云团扩散高度增加，危险范围也增大。在实验研究方面，Houssin-agbomson等^[70]建立全尺寸实验模拟12 mm裂缝下埋地高压管道泄漏过程，发现土壤坑的形成与管道压力、泄漏口方向及土壤类型有关，与泄漏气体性质无关。在埋地掺氢天然气输送管道中，氢气与甲烷的泄漏率相同^[71]。Zhu等^[59]搭建一套全尺寸掺氢天然气地下管道泄漏扩散实验系统，研究表明，氢气的扩散系数较甲烷大，氢气携带甲烷扩散，缩短了甲烷的饱和时间。

目前，国内外关于海底管道掺氢输送研究较少。朱红钧等^[64]利用Fluent软件，数值模拟了波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散的过程。结果表明，气体泄漏的过程可分为泄漏初期、向上浮升以及横向迁移3个阶段。随着掺氢比与浮升高度的增加，天然气泡与氢气泡的上升速度都呈现先增大后减小的趋势，且氢气泡的上升速度更大。当掺氢比小于50％时，氢气泡的运动轨迹受天然气泡的影响显著；波长与海流流速越大，泄漏气体的扩散直径越大。

综上，除掺氢比、管道压力及泄漏孔特征等因素以外，3种类型的管道各有研究侧重点：对于架空管道，主要分析风与障碍物耦合作用对泄漏气体积聚与扩散的影响；对于埋地管道，主要探究土壤条件对掺氢天然气扩散的影响；对于海底管道，主要分析波长与海流速度对掺氢天然气扩散轨迹的影响。