四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報１１３ (2020年12月) １－6

地中水素ガス拡散挙動 CFD シミュレーションの妥当性確認㈱四国総合研究所 エネルギー技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部

キーワード：

水素導管
ガス漏えい
拡散土壌
数値流体力学
妥当性

Key Words：

杉本
杉本
市川
荻田
朝日健二
幸代
祐嗣
将一
一平

Hydrogen
Pipeline
LeakageDiffusion
Soil
CFD
Validation

Validation of CFD Simulation Results for Hydrogen Gas Diffusion Behavior in the Ground
Shikoku Research Institute, Inc., Energy Engineering Department
Kenji Sugimoto
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agri-Technology Department
Sachiyo Sugimoto, Yuji Ichikawa, Masakazu Ogita, Ippei Asahi

Abstract
Hydrogen energy is expected to be put to practical use, and it is very important to understand hydrogen gas
diffusion behavior and ensure safety when hydrogen gas pipelines are damaged. Therefore, assuming hydrogen gas
leakage due to damage to a buried pipeline, hydrogen gas diffusion behavior in the ground and in the atmospherenear the ground surface was investigated by full-scale experiments and CFD simulations. In this paper, validation
results of the CFD simulations by comparison with the experiments were shown. Reasonable CFD simulation results
were obtained without using any special physical model by setting proper geological parameters such as soil porosity,gas permeability, and effective gas diffusion coefficient in porous media at constant leakage hydrogen gas flow rates.
The influence of the geological parameters on the hydrogen gas diffusion behavior was investigated by sensitivity
analysis. It was confirmed that fluctuations of the geological parameters had an effect of up to about 20%.

－ 1 －地中水素ガス拡散挙動 CFD シミュレーションの妥当性確認

1. はじめに
近年中の実用化が想定される水素導管供給システムの安全性評価に係る調査の一環として、埋設導管の損傷に伴う水素ガス漏えいを模擬した実大規模の実験等により、地中および地表における水素拡散挙動を調査した。本稿では、実験データとの比較による CFD シミュレーションの妥当性確認結果について報告する。
漏えい水素ガス流量一定条件の下、土壌空隙率など地質パラメータを適切に設定することで、特殊な物理モデルを使用せずに妥当な再現結果がここで、𝜌𝜌 [kg/m3] はガス密度、𝑣𝑣⃗ [m/s] は速度ベクトル、𝑝𝑝 [Pa] は静圧、𝜇𝜇 [Pa·s] はガス粘性係数、𝐷𝐷 [m2/s] は有効拡散係数、𝑌𝑌𝑖𝑖 は化学種 𝑖𝑖の質量分率、𝑄𝑄 [kg/s] は水素ガス放出量、𝑡𝑡 [s]は時間、𝑔𝑔⃗ [m/s2] は重力ベクトルを示す。また、𝜀𝜀 は空隙率、𝐾𝐾 [m2] は透気係数で、多孔質媒体の特性を示す。本稿では、地中における空隙率 𝜀𝜀、透気係数 𝐾𝐾、有効拡散係数 𝐷𝐷 を地質パラメータと称す。

2.2 解析対象得られた。感度解析により地質パラメータが水素

本調査では、舗装を施した土壌模擬槽の深さ拡散挙動に与える影響について検討し、地質パラ1.2m の位置に導管を埋設し、小口径破断によるメータの変動により最大 20%程度の影響があるこ水素漏えいを想定して実験した。土壌模擬槽は、とを確認した。

気密ブース（8.0m×8.0m×3.0mH）内に製作され、内径 7.0m、高さ 1.35m の円柱構造を有し、舗装

2. 解析方法

0.5m（アスファルト層 0.15m＋砕石層 0.35m）と2.1 基礎方程式

真砂土層 0.85m の構成とした（図 1，図 2）。

本調査における CFD シミュレーションの基礎

土壌模擬槽および気密ブース内を 100%窒素ガ方程式（質量保存則、運動量保存則、化学種 i のスに置換した状態を初期状態とし、放出口から一輸送方程式）を式（1）～（3）に示した。対象と定流量の水素ガスを 24 時間放出し、地中埋設セなる系の化学種は水素と窒素の 2 種で、流動様式

ンサ 40 点による水素濃度計測、ならびに、地表は層流とし、地中では多孔質媒体中の物質拡散と20mm 高の光学的水素濃度分布計測による水素拡して扱った。

散挙動を調査した 1)。

𝜀𝜀𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜌𝜌 �𝜀𝜀𝜕𝜕𝜌𝜌 + 𝛻𝛻 ⋅ (𝜌𝜌𝑣𝑣⃗) = 𝑄𝑄

1 𝜕𝜕𝜀𝜀 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

1（1）埋設導管を含む土壌模擬槽、気密ブースおよび𝜇𝜇+ 2 𝑣𝑣⃗ ⋅ 𝛻𝛻� 𝑣𝑣⃗ = −𝛻𝛻𝑝𝑝 + 𝛻𝛻(𝜇𝜇𝜇𝜇 ⋅ 𝑣𝑣⃗) − 𝑣𝑣⃗ + 𝜌𝜌𝑔𝑔⃗（ 2）
𝜀𝜀2.3 解析条件

𝐾𝐾(𝜌𝜌𝜌𝜌𝑖𝑖 ) + 𝛻𝛻 ⋅ (𝜌𝜌𝑣𝑣⃗𝑌𝑌𝑖𝑖 ) = 𝛻𝛻 ⋅ (𝜀𝜀𝜀𝜀𝐷𝐷𝛻𝛻𝑌𝑌𝑖𝑖 ) + 𝑄𝑄

（3）

排気口を解析範囲に選定し、境界条件として水素ガ ス 放 出 口 に 質量 流 量 𝑄𝑄 （ 実 験 値 4.84×10-12kg/s、3.37L/min）を、気密ブース排気口に大気気密ブース（窒素雰囲気）
8m × 8m × 3.0mH

天井排気口 5ヵ所

レーザ
光源

舗装付き土壌模擬槽
7mφ × 1.35mH

H2

アスファルト層 0.15mH
砕石層（路盤） 0.35mH
真砂土層0.85mH

水素導管 埋設深さ1.2m
ICCDカメラ × 2台

図１

図2

気密ブース外観－ 2 －実験装置イメージ

地中水素ガス拡散挙動 CFD シミュレーションの妥当性確認

開放条件（0 Pa）を、壁面上の運動量保存則に3.2 水素濃度経時変化

Non-Slip 条件および全ての化学種についてゼロ

実験と CFD の水素濃度経時変化比較により、両勾配条件をそれぞれ与えた。地質パラメータは、者は定性的に一致することを確認した。土壌模擬

表 1 に示す各層の実測平均値を与えた。本調査に槽の構成図とともに水素放出口直上の大気中計

おいて、汎用数値流体解析ソフトウェア ANSYS

測点および地中埋設センサ点における水素濃度

Fluent 2019 R1 (Ver.19.3) を使用したが、特殊経時変化比較を図 4 に示した。ここで、センサ㊶な物理モデルは使用しなかった。の大気中水素濃度については、実験、CFD とも 0.1
時間ごとの時間平均にてグラフ化した。

表1アスファルト層
砕石層
真砂土層

地中パラメータ𝜀𝜀 [%]
6.90
23.2
27.4

𝐾𝐾 [m2]

6.03×10-12
25.9×10-12
27.7×10-12

4. 解析結果の妥当性確認

𝐷𝐷 [m2/s]

4.1 地中水素濃度比較

1.21×10-12
9.49×10-12
8.30×10-12

水素放出 12 時間後の地中埋設センサ点水素濃度に関する実験と CFD の比較図を図 5 に示した。
ここで、横軸を実験値、縦軸を CFD による計算値としてプロットし、CFD／実験=1.0 を一点鎖線で、3. 解析結果

CFD／実験=0.8、1.2 を 2 本の点線で示した。ほ

3.1 地中水素濃度分布

とんどのデータは点線で挟まれる相対比±20%の実験で得られた水素濃度分布との比較により、CFD で地中水素拡散挙動を定性的に再現できるこ範囲内にあり、定量的なデータ乖離は概ね 20%程度であることを確認した。とを確認した。地中代表断面の水素濃度分布について、左側に実験、右側に CFD とし、1 時間後、4.2 真砂土層空隙率再調査

2 時間後、6 時間後、24 時間後の水素濃度コンタ

実験と CFD で一部データ乖離がみられたため、

ー図を並べて図 3 に示した。全体的に同心円状に実験完了後に真砂土層空隙率を再調査した。実験

等方的に広がる水素拡散挙動は類似していた。

前後の真砂土層空隙率調査結果を図 6 に示した。

CFD

実験
1h

H2 [vol.%]
10002h6h24h

図3

水素放出 1 時間後、2 時間後、6 時間後、24 時間後の地中水素濃度分布比較－ 3 －地中水素ガス拡散挙動 CFD シミュレーションの妥当性確認

H2612 18
Time [h]24100%
80%60%
40%20%0%

大気中センサ㊶実験
CFD0612 18
Time [h]24

真砂土層センサ③H2

真砂土層センサ①

H2100%
80%60%
40%20%0%

05%
4%
3%
2%
1%0%

0612 18
Time [h]24100%
80%
60%
40%20%0%

真砂土層センサ⑤H2

砕石層センサ㉖

H2100%80%60%
40%20%
0%0612 18
Time [h]240612 18
Time [h]㊶㉖

アスファルト層
砕石層（路盤）

⑤③
①

真砂土層

H2 放出

図424センサ点

水素放出口直上の大気中および地中埋設センサ点における水素濃度経時変化比較

100%
40%

砕石層

真砂土層空隙率水素濃度（CFD）

真砂土層

10%

1%

CFD / 実験 = 1.2
CFD / 実験 = 1.0
CFD / 実験 = 0.8
1%

10%

30%
20%
10%0%

100%

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9

水素濃度（実験）

図5

実験前

水素放出 12 時間後の水素濃度比較

－ 4 －

図6

実験後

真砂土層空隙率調査結果

地中水素ガス拡散挙動 CFD シミュレーションの妥当性確認

ここで、実験前には代表点 3 箇所、実験後には代表2

表点 6 箇所×近接領域 3 点の空隙率を調査した。

感度解析条件（真砂土層）

空隙率 𝜀𝜀 設定

𝜀𝜀 [%]

𝐾𝐾 [m2]21.7
実測最小値
実測平均（基準） 27.4
無転圧（最大値） 36.4

実験後の再調査の結果、特定領域の空隙率に偏りはみられない一方で、近接領域で 10%程度のバラツキが含まれる場合があることを確認した。これ

11.8×10-1227.7×10-1285.4×10-12

𝐷𝐷 [m2/s]

6.08×10-128.30×10-1212.2×10-12

ら地質パラメータのバラツキ等がデータ乖離要因の一つと推定された。

地質パラメータ変更時の水素濃度

100%4.3 地質パラメータ感度解析
前項の再調査結果を踏まえ、感度解析による地質パラメータ影響度の評価を試みた。具体的には
表 2 に示すように、真砂土層を対象として空隙率𝜀𝜀 の実測平均値を基準に大小計 3 ケースを想定し、透気係数 𝐾𝐾 については Ergun2) の関係式（4）、

有 効 拡 散 係 数 𝐷𝐷 に つ い て は Millington &Quirk3) の関係式（5）を用いて推定した値を用いた。
𝐾𝐾 =𝐷𝐷𝐷𝐷0𝜀𝜀 3 𝑑𝑑𝑝𝑝 2150(1−𝜀𝜀)243= 𝜀𝜀 ,,𝑑𝑑𝑝𝑝 = 3.27 × 10−4 [m]𝐷𝐷0 = 4.7 × 10 [m2/s]−5ε=21.7%ε=36.4%10%1%(ε=27.4%) ×1.2
(ε=27.4%) ×1.0
(ε=27.4%) ×0.8
1%

10%

100%

基準条件での水素濃度 (ε=27.4%)

（4）

図7

地質パラメータ感度解析結果（5）
5. まとめ

ここで、式（4）の平均粒子径 𝑑𝑑𝑝𝑝 および式（5）の大気中ガス拡散係数 𝐷𝐷0 については、空隙率 𝜀𝜀、実大規模の実験で得られた水素濃度の変化をCFD により再現し、その妥当性を確認した結果、透気係数 𝐾𝐾、有効拡散係数 𝐷𝐷 の実測値から逆算以下の結論が得られた。

概ね 20%程度であることを確認した。地質パラメ

詳細な地質パラメータ分布の把握には制約があータ感度解析結果を図 7 に示した。ここで、横軸ることから、CFD における地質パラメータについに基準とした解析条件における各センサ点でのては各層一様と仮定した設定等が現実的と考え水素濃度、縦軸に地質パラメータを変更させた条られる。本調査の範囲において地質パラメータの件での水素濃度としてプロットし、基準×1.0 を影響は水素濃度 20%程度に相当することを確認し一点鎖線で、基準×0.8、基準×1.2 をそれぞれた。

して求めた。 さらに、表 2 の空隙率 36.4%につ（1）特殊な物理モデルを使用することなく、地いては、真砂土層無転圧時を想定した簡易実験に中および地表の水素拡散挙動の再現は可能。

よって求めた値を使用した。
感度解析の結果、地質パラメータによる影響は（2）地質パラメータなどの入力条件が適切であれば、水素拡散挙動の再現性は高い。

点線で示した。ほとんどのデータは点線で挟まれる相対比±20%の範囲内にあった。なお、水素放［謝辞］

出量一定条件での感度解析において空隙率大に

本調査は、経済産業省「平成 30 年度水素導管て水素濃度低となる傾向が示されたが、水素供給供給システムの安全性評価事業」および「令和元圧力一定条件での感度解析においては空隙率大年度新エネルギー等の保安規制高度化事業」の一にて水素放出量大、水素濃度高となることを別途環で実施されたものである 4) 5)。ご協力いただい確認した。

た関係各位に深く感謝する。

－ 5 －地中水素ガス拡散挙動 CFD シミュレーションの妥当性確認［参考文献］
1)

杉本幸代、市川祐嗣、荻田将一、児玉裕美、
星野礼香、朝日一平、上地優、寺田敦彦、日野竜太郎：「ラマンイメージングによる舗装路下埋設配管損傷時の漏えい水素拡散挙動計測」，第 37 回レーザセンシングシンポジウ
ム予稿集, (2019/9), pp. 51-52.

2)Ergun, S., “Fluid Flow through PackedColumns”, Chemical Engineering Progress,
Vol. 48, No. 2 (1952), pp. 89-94.

3)

Millington

R.

J.

andQuirk

J.

P.,“Permeability of Porous Solids”, Trans.
of the Faraday Society, Vol. 57 (1961), pp.
1200-1207.
4)「平成 30 年度水素導管供給システムの安全性評価事業（維持管理工法の水素適用性評価（地中及び大気中の水素拡散挙動調査））調査 報 告 書 」， 経 済 産 業 省 ， (2019/3),
https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/
H30FY/000130.pdf.

5)「令和元年度新エネルギー等の保安規制高度化事業（水素導管供給システムの安全性評
価事業（地中および大気中の水素拡散挙動調査））調査報告書」，経済産業省，(2020/3),
https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/
2019FY/000073.pdf.

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