一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法

1.本发明涉及固态储氢技术领域，尤其涉及一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法。


背景技术：

2.固态储氢技术是通过容器内固态储氢材料与氢气进行反应而实现的氢气存储方式，但是反应引起的反应热会导致容器内部温度场不均匀，从而导致放氢反应的减慢甚至停止。目前，解决该问题的有效方法之一是在容器内部铺设换热流体管道，从而对容器内部的温度场进行调控。使用数学模型对容器内部材料的温度场、反应分数分布场以及流体管道的温度场进行仿真计算是进行储氢容器内流体管道设计的有效手段之一。
3.目前，对小型流体换热式固态储氢容器的放氢过程仿真分析研究较多，现有技术中对流体换热式储氢容器的建模主要分为两种方式，一种是忽略流体部分，通过换热系数表示流体与储氢容器的热交换；另一种是直接对流体部分进行完整的建模，通过完整计算流体的流动过程，进一步计算流体与储氢容器的热交换。
4.然而，对于大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的数值模型仿真方法尚不多见。上述两种方法中，第一种方法无法计算储氢容器对流体的温度影响，但是在大型流体换热式固态储氢容器中，流体温度会产生较大的变化，因此这种方法无法精确描述流体温度变化的影响；第二种方法由于流体流动模型的引入，带来了巨大的计算量，因而难以拓展到大型流体换热式固态储氢容器放氢过程。大型流体换热设备中换热管数量较多，三维流体的传热传质计算成本过高，与固态储氢容器内部材料力学和动力学方程耦合模型的建模计算量巨大，难以建立有效的数学模型来反映固态储氢容器中的材料变化情况以及流体温度的变化情况等。
5.因此，本领域的技术人员致力于提供一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的简化模型仿真方法，实现大型流体式固态储氢容器的仿真模型建立和优化分析，为大型流体式固态储氢容器的热管理手段设计提供依据。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种对大型流体换热式固态储氢容器放氢过程进行简化的仿真方法。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，所述仿真方法包括以下步骤：
8.步骤1、建立大型流体换热式固态储氢容器的结构模型；
9.步骤2、对所述固态储氢容器放氢过程的参数进行设定；
10.步骤3、对步骤1的所述结构模型划分网格；
11.步骤4、建立所述固态储氢容器放氢过程的数学模型；
12.步骤5、对所述固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算；
13.本步骤基于步骤4中的数学模型，采用有限元或有限差分方法对大型流体换热式固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算。
14.步骤6、获得计算结果。
15.进一步地，所述步骤1的结构模型包括：储氢容器壳体、固态储氢材料床体的三维结构模型，换热流体管道的一维结构模型。
16.进一步地，所述步骤2的参数包括：所述固态储氢材料床体、所述储氢容器壳体、所述换热流体的初始温度，所述固态储氢容器内的初始压强，所述固态储氢材料的初始反应分数、含氢量，所述储氢容器壳体、固态储氢材料、氢气的物化性质，所述换热流体入口温度、流体流速、流体压强，氢气出口压强，孔隙率。
17.在步骤3中，先对换热流体管道先用一维的网格进行剖分，然后根据一维网格的尺寸对三维的固态储氢容器壳体及固态储氢材料床体部分进行剖分。
18.进一步地，所述步骤4的数学模型中，将所述换热流体管道中的流体传热和流动过程简化为一维非等温管道流，并将一维非等温管道流的能量守恒方程与所述储氢容器壳体和所述固态储氢材料床体的能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程、放氢反应的热力学方程、动力学方程进行耦合。
19.进一步地，使用内部膜阻近似流体边界层对温度传递的影响，简化所述换热流体管道内流体流动的建模。
20.本过程是基于thermal film model理论。
21.进一步地，所述一维非等温管道流的能量守恒方程为：
[0022][0023]
式中，ρ是流体密度，a是流体管路横截面面积，c
p
是流体热容，t是温度，是流场矢量，k是流体热导率，q是内热源，fd为摩擦因子，dh为水力直径，以上参数针对所述换热流体管道；q
wall
是流体通过所述换热流体管道壁与所述固态储氢材料床体的热量交换。
[0024]
进一步地，流体通过所述换热流体管道壁与所述固态储氢材料床体的热量交换计算方式为：
[0025]qwall
＝(hz)
eff
(t
ext-t)
[0026]
式中，(hz)
eff
是有效换热系数，t
ext
是通过所述储氢容器的三维能量守恒方程得到的所述换热流体管道外壁温度。
[0027]
进一步地，所述有效换热系数的计算方式为：
[0028][0029]
式中，r0h
int
表示所述换热流体管道内流体边界层对流体换热的影响，r0表示所述换热流体管道内径，r1表示所述换热流体管道外径，k1表示所述换热流体管道材料热导率，h
int
＝nu*k/dh，nu为流体努塞尔数。
[0030]
进一步地，所述固态储氢材料放氢反应的动力学方程为：
[0031][0032]
式中，k0是反应速率常数，ed为激活能，t为温度，p
h2
为氢气气压，p
eq,d
为平衡气压，n
为与反应类型有关的常数，α为反应转变分数，r为理想气体常数。
[0033]
进一步地，所述固态储氢材料放氢反应的热力学方程为：
[0034][0035]
式中，δs是放氢反应熵变，δh是放氢反应焓变，p
eq
是平衡压强，p
ref
＝0.1mpa。
[0036]
本发明至少具有如下有益技术效果：
[0037]
1、本发明提供的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，使用一维非等温管道流进行换热流体的数值计算，并将其与固态储氢容器的三维能量守恒方程以及化学反应热力学方程、动力学方程进行耦合，建立有效的数学模型来反映固态储氢容器中的材料反应分数变化情况以及流体温度的变化情况。
[0038]
2、本发明提供的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，通过引入一维管道流计算换热流体与储氢床体的热量交换，一方面，可以动态地反映换热流体流经储氢材料床体后的温度变化情况，另一方面，可以实现流体温度与储氢材料床体温度、反应分数的全耦合建模。一维管道流的引入大幅减少计算时间，降低计算成本，提高设计效率。
[0039]
3、本发明提供的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，能够有效完成大型流体式固态储氢容器的仿真模型建立、优化分析及优化设计，为设计大型流体式固态储氢容器的热管理手段提供依据。
[0040]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0041]
图1是本发明的较佳实施例提供的仿真方法的流程图；
[0042]
图2是本发明的较佳实施例利用对称性建立的1/2整体模型图；；
[0043]
图3是本发明的较佳实施例的换热流体管道截面的温度分布示意图；
[0044]
图4是本发明的较佳实施例放氢过程中的放氢速率及总放氢量变化示意图；
[0045]
图5是本发明的较佳实施例放氢过程中的平均反应分数变化示意图；
[0046]
图6是本发明的较佳实施例放氢过程中t＝2h时的换热流体的温度分布图；
[0047]
图7是本发明的较佳实施例放氢过程中t＝2h时储氢容器中部横截面处的温度分布云图；
[0048]
图8是本发明的较佳实施例放氢过程中t＝2h时储氢容器中部横截面处的固态储氢材料反应分数分布云图。
具体实施方式
[0049]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0050]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0051]
本发明提供了一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，用于大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的数值模型仿真分析。如图1所示，本发明的仿真方法具体过程如下。
[0052]
步骤1、建立大型流体换热式固态储氢容器的结构模型。
[0053]
本步骤中，建立的结构模型包括：储氢容器壳体、固态储氢材料床体的三维结构模型，换热流体管道的一维结构模型。
[0054]
步骤2、对所述固态储氢容器放氢过程的参数进行设定。
[0055]
本步骤中，设定的参数包括：初始温度、初始压强，所述储氢容器壳体，固态储氢材料、氢气的物化性质，流体入口温度、流体流速、流体压强。
[0056]
步骤3、对步骤1的所述结构模型划分网格。
[0057]
本步骤中，先对换热流体管道先用一维的网格进行剖分，然后根据一维网格的尺寸对三维的固态储氢容器壳体及固态储氢材料床体部分进行剖分。
[0058]
步骤4、建立所述固态储氢容器放氢过程的数学模型。
[0059]
本步骤中，基于氢气视为理想气体以及局部热平衡的假设，建立数学模型，确定固态储氢材料放氢反应的热力学方程、动力学方程，耦合质量守恒、能量守恒及动量守恒方程。将换热流体管道中的流体传热和流动过程简化为一维非等温管道流，并将一维非等温管道流的能量守恒方程与储氢容器壳体和固态储氢材料床体的能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程、放氢反应的热力学方程、动力学方程进行耦合。
[0060]
本步骤中，通过thermal film model理论，使用内部膜阻近似流体边界层对温度传递的影响，简化换热流体管道内流体流动的建模。
[0061]
一维非等温管道流的能量守恒方程为：
[0062][0063]
式中，ρ是流体密度，a是流体管路横截面面积，c
p
是流体热容，t是温度，是流场矢量，k是热导率，q是内热源，fd为摩擦因子，dh为水力直径，以上参数限于换热流体管道；q
wall
是流体通过换热流体管道壁与固态储氢材料床体的热量交换。
[0064]
本步骤中，数学模型通过q
wall
进行一维非等温管道流与固态储氢材料床体的三维能量守恒方程之间的双向耦合。
[0065]
具体地，
[0066]qwall
＝(hz)
eff
(t
ext-t)
[0067]
式中，(hz)
eff
是有效换热系数，t
ext
是通过储氢容器的三维能量守恒方程得到的换热流体管道外壁温度。
[0068]
具体地，
[0069][0070]
式中，r0h
int
表示所述换热流体管道内流体边界层对流体换热的影响，r0表示所述换热流体管道内径，r1表示所述换热流体管道外径，k1表示所述换热流体管道材料热导率，h
int
＝nu*k/dh，nu为流体努塞尔数。
[0071]
固态储氢材料床体放氢的反应动力学方程为：
[0072][0073]
式中，k0是反应速率常数，ed为激活能，t为温度，p
h2
为氢气气压，p
eq,d
为平衡气压，n为与反应类型有关的常数，α为反应转变分数，r为理想气体常数。
[0074]
固态储氢材料床体放氢反应的热力学方程为：
[0075][0076]
式中，δs是放氢反应熵变，δh是放氢反应焓变，p
eq
是平衡压强，p
ref
＝0.1mpa。
[0077]
步骤5、对所述固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算。
[0078]
本步骤基于步骤4中的数学模型，采用有限元或有限差分方法对大型流体换热式固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算。
[0079]
步骤6、获得计算结果。
[0080]
计算结果中，重点考虑流体的温度变化、固态储氢材料床体的反应分数或含氢量变化，为固态储氢容器的设计提供依据，同时用于固态储氢容器的参数优化。
[0081]
如图2至图8所示，本发明还公开了大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法的具体实施例。
[0082]
首先，建立大型流体换热式固态储氢容器的结构模型，如图2所示为利用对称性建立的1/2模型图，换热流体管道的位置使用一维线条表示，三维模型代表储氢材料床体及储氢容器壳体。针对固态储氢长管拖车使用的大型换热式固态储氢容器，将储氢容器体积设定为3123l。
[0083]
其次，对固态储氢容器放氢过程的参数进行设定，将初始温度设为250℃，初始压强为0.1mpa，储存氢气质量为188kg，初始反应分数为0.99，含氢量为6％，储氢材料的比热容为1515j/kg/k，热导率为3w/m/k，放氢反应焓变为72.74kj/mol h2，放氢反应熵变为114.23j/mol/k。流体流速为4m/s，流体入口温度为380℃，储氢容器氢气出口压强为0.1mpa。当固态储氢材料的平衡压大于氢气出口压强时，固态储氢材料便分解为氢气与固态储氢合金，同时吸收大量热量，随着换热流体不断向容器内输送热量，氢气便不断从固态储氢容器内流出，直至反应分数变为0，即固态储氢材料含氢量变为0。
[0084]
第三，对结构模型划分网格，换热流体管道先用一维的网格进行剖分，然后根据一维网格的尺寸对三维的固态储氢容器壳体及材料床体部分进行剖分。
[0085]
第四，基于氢气视为理想气体以及局部热平衡的假设，建立大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的数学模型，确定固态储氢材料放氢反应的热力学方程、动力学方程，耦合质量守恒、能量守恒及动量守恒方程。假设条件包括，将氢气看作理想气体，氢气温度与固态材料温度为局部热平衡状态，忽略固体材料体积变化，忽略材料物性随温度的变化。
[0086]
在数学模型中，将三维的换热流体管道中的流体传热和流动过程简化为一维非等温管道流，并将一维非等温管道流的能量守恒方程与壳体和材料床体的三维能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程以及放氢反应的热力学方程、动力学方程进行耦合。
[0087]
一维管道流换热的简化示意图如图3所示，由此建立的数学模型中的方程如发明内容部分所述。
[0088]
第五，基于以上建立的数学模型，采用有限元或有限差分方法对大型流体换热式
固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算。本实施例中，所设求解器相对容差为0.0001。
[0089]
最后，取得计算结果，重点考虑流体的温度变化、固态储氢材料床体的反应分数或含氢量变化，为固态储氢容器的设计提供依据，同时用于固态储氢容器的参数优化。
[0090]
基于以上参数，得到的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程中的放氢速率、总放氢量、平均反应分数与时间的关系如图4～5所示。当流体温度为380℃，流速为4m/s，出口压强为0.1mpa时，可在7小时内完成放氢。
[0091]
如图6所示，为本实施例的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程中当t＝2h时换热流体的温度分布云图。
[0092]
如图7和图8所示，为本实施例的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程中当t＝2h时容器横截面处的固态储氢材料反应分数及温度分布云图，其中，反应分数为0代表完全放氢，反应分数为1代表未放氢。
[0093]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。