氢气无色无味、扩散快，泄漏安全问题至关重要。为了降低实验风险，氦气常被用于模拟氢气泄漏，但两者流动规律并不完全相同。利用纹影技术，将低压氢气和氦气射流可视化，并进一步量化其流动特征，回答氦气在什么条件下可以更准确地替代氢气。
导 读
低压小孔泄漏是氢系统中值得关注的典型风险。本文利用纹影可视化技术，将不可见的氢气和氦气泄漏射流转化为可观察图像，并进一步提取流场特征，定量评估氦气替代氢气的可行性，为更安全的氢泄漏实验设计提供依据。
图1 图文摘要
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为什么要用氦气替代氢气？
燃料电池汽车是氢能的重要应用场景之一。但是，在车载氢系统中，低压管路、阀件和接头等位置均有可能发生小孔泄漏。此类泄漏流量较低、尺度较小，不一定剧烈，却具有隐蔽性和现实风险。
要理解这类泄漏，就需要开展可控实验，观察气体从喷口释放后如何喷射、扩散。然而，直接使用氢气进行泄漏实验，对通风、防爆和安全管理要求较高。相比之下，氦气性质稳定、不易燃烧，同时也是轻气体，因此常被用作氢气替代物。
但问题在于，氦气并不等同于氢气。两者在密度、黏度和折射率等物性上存在差异。简单地采用相同流量或相同浓度，并不一定能得到真正相似的泄漏流场。因此，氦气替代氢气不能只依靠经验判断，而需要定量验证。
本文关注的核心问题是：在燃料电池汽车低压泄漏条件下，氦气能否替代氢气？如果可以，应该怎样选择氦气实验参数？
02
让不可见的泄漏射流变得可量化
氢气和氦气都是透明气体，肉眼无法直接观察其泄漏形态。本文采用纹影成像技术，将气体折射率变化转化为图像亮度变化，从而“看见”低压轻气体射流。
实验中，气体通过垂直喷嘴释放到环境空气中，氢和氦各涉及9组初始浓度和5组流量范围。本文进一步建立了基于位移场的分析方法，通过纹影图像中的光学偏移信息，提取射流
03
氦气替代是否可靠，关键看流场特征
低压轻气体射流通常会经历从层流到湍流的转捩过程。转捩点可以理解为射流结构发生明显变化的位置：在此之前，射流较窄且稳定；在此之后，混合增强，扩散更明显。
实验结果表明，转捩高度主要由浮力与初始动量之间的竞争决定。在本文研究的低压、小孔、近场自由射流条件下，氢气和氦气的转捩高度具有相似变化趋势。对于多数工况，两者差异较小，说明氦气能够较好复现氢气近场泄漏的主要结构演化。
而对于转捩后流场特征，基于提取的流场关键参数，比较了等流量、等浓度和等浮力等常见替代方法。结果显示，
该方法可为燃料电池汽车低压氢泄漏安全实验提供参考。通过使用氦气，研究人员可以在更安全条件下复现氢气泄漏的关键流动特征，降低实验风险，并减少盲目试错。
总结与展望
本文面向燃料电池汽车低压氢泄漏场景，构建了纹影可视化实验平台和位移场定量分析方法，系统比较了氢气和氦气泄漏射流的转捩行为及转捩后流场特征。研究表明，在低压、小孔、近场自由射流条件下，氦气可以较好模拟氢气泄漏的关键流动特征；进一步提出的经验替代公式可为氦气实验参数选择提供定量依据。
未来，该方法可与多传感器监测、图像识别和数值模拟相结合，用于更复杂结构中的氢泄漏风险评估，为燃料电池汽车及其他氢能装备的安全设计提供支持。
责任编辑
丁振亚