基于Fluent的軌道交通車載氫系統(tǒng)流體仿真分析

方 鵬,肖 曉

株洲中車時代電氣股份有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

車載氫系統(tǒng)是氫燃料電池軌道交通車輛的重要組成部分,由氫氣的加注、儲存、供給和控制相關(guān)的所有裝置和零部件組成,可提供氫燃料電池工作所需要的氫氣[1-5]。車載氫系統(tǒng)與車輛安全和氫燃料電池工作性能息息相關(guān),而傳統(tǒng)的一維多物理場仿真軟件無法實(shí)現(xiàn)車載氫系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動件及流體物理特性的動態(tài)分析[6],因此車載氫系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程缺乏有效的仿真手段。若產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在缺陷,只有在樣機(jī)試制階段甚至系統(tǒng)調(diào)試階段才能發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致項(xiàng)目周期和成本存在較大不確定性。在航空航天、環(huán)境工程、能源工程等涉及計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域,Fluent仿真軟件已被廣泛應(yīng)用,該仿真軟件具備優(yōu)秀的多物理場耦合模擬能力、多尺度模擬能力等,例如可在環(huán)境工程中模擬大氣環(huán)境中的氣體傳輸、擴(kuò)散等。因此,本文提出利用Fluent流體仿真分析軟件,對車載氫系統(tǒng)進(jìn)行加氫過程、供氫過程的動態(tài)特性仿真分析。通過仿真分析,掌握車載氫系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性,分析影響其性能的關(guān)鍵參數(shù),在設(shè)計(jì)階段即實(shí)現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性驗(yàn)證,避免在試制或調(diào)試階段產(chǎn)生較大的設(shè)計(jì)修正。

1 工作原理

軌道交通車載氫系統(tǒng)包括加氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、供給系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及相應(yīng)的冷卻系統(tǒng),各部分的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 車載氫系統(tǒng)組成

供給系統(tǒng)工作原理為35 MPa或70 MPa高壓氫瓶的氫氣經(jīng)組合瓶閥(包括控制開啟的電磁閥和檢測氫瓶溫度的傳感器單元)流出,相繼經(jīng)過單向閥(限制通過氫氣流量)、過濾器(過濾氫氣雜質(zhì))、減壓閥(轉(zhuǎn)換氫氣壓力)、球閥(切斷氫氣流動)后轉(zhuǎn)換為燃料電池電堆工作所需壓力和流量的氫氣。

加氫系統(tǒng)工作原理為從加氫口注入的氫氣經(jīng)單向閥、氫氣瓶組合瓶閥直接注入高壓氫瓶。

2 仿真方法

2.1 數(shù)值模型建立

2.1.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)車載氫系統(tǒng)的工作原理及功能,結(jié)合CAD結(jié)構(gòu)尺寸,在CFD軟件中建立三維流體仿真模型,計(jì)算車載氫系統(tǒng)在氫氣供給過程/加注過程的動態(tài)特性,主要包括局部壓力變化、流體分布、流量及氫氣瓶溫度分布等。

2.1.2 建模處理及網(wǎng)格劃分

根據(jù)仿真需求,需要對幾何模型進(jìn)行簡化和技術(shù)處理。

1)去除與流體分析無關(guān)的器件,氫氣供給系統(tǒng)僅包括高壓氫瓶、管路及減壓閥,氫氣加注系統(tǒng)僅包括加氫管路及高壓氫瓶。

2)在不影響分析精度的原則下,對幾何模型中存在難以處理的小特征進(jìn)行簡化處理,包括去除螺栓和裝配孔。

3)減壓閥為氫氣供給系統(tǒng)關(guān)鍵器件,其內(nèi)部存在壓差大、機(jī)構(gòu)運(yùn)動復(fù)雜等特性,器件仿真模型進(jìn)行簡化,器件模型如圖2所示。

圖2 減壓閥模型

4)氫氣供給/加注系統(tǒng)仿真模型采用多面體網(wǎng)格結(jié)合邊界層網(wǎng)格實(shí)現(xiàn),仿真模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 氫氣供給系統(tǒng)仿真模型

圖4 氫氣加注系統(tǒng)仿真模型

本系統(tǒng)儲氫氣瓶共有7個,為便于下文說明,各氫氣瓶從左至右編號依次設(shè)置為1#氫氣瓶、2#氫氣瓶、3#氫氣瓶、4#氫氣瓶、5#氫氣瓶、6#氫氣瓶、7#氫氣瓶。

2.2 邊界條件設(shè)置

2.2.1 氫氣供給系統(tǒng)

由于無法準(zhǔn)確獲取減壓閥在工作過程中的調(diào)節(jié)規(guī)律,本次仿真針對減壓閥完全敞開條件下的放氣過程進(jìn)行仿真分析,邊界條件根據(jù)設(shè)計(jì)要求給定,具體如表1所示。

表1 邊界條件

2.2.2 氫氣加注系統(tǒng)

當(dāng)進(jìn)口充氣流量為3 kg/min時,充氣溫度考慮以下2種情況:經(jīng)過預(yù)冷后充氣溫度-45 ℃;未經(jīng)過預(yù)冷的充氣溫度15 ℃。環(huán)境溫度為15 ℃,初始壓力為5 MPa,具體邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

2.3 工況設(shè)定

原始設(shè)計(jì)管路直徑為3 mm,為比較不同管路直徑時放氣速率,本次仿真針對管路直徑為3 mm和6 mm這2種工況進(jìn)行仿真分析。計(jì)算截止條件為氫氣瓶壓力降至約6.5 MPa,各瓶平均壓力約6 MPa。

3 仿真結(jié)果

3.1 出口流量及壓力動態(tài)特性分析

各管路流量及減壓閥進(jìn)口壓力隨時間變化情況如圖5所示,仿真結(jié)果如下。

圖5 管路流量及減壓閥進(jìn)口壓力變化情況

1)管道直徑為3 mm時,1#氫氣瓶壓力達(dá)到6.5 MPa時的放氣時間約為241.7 s;管道直徑為6 mm時,1#氫氣瓶壓力達(dá)到同等壓力水平的放氣時間約109.6 s,直徑擴(kuò)大1倍,放氣時間縮短約54.7%。

2)由于氫氣瓶內(nèi)初始壓力為70 MPa,管路初始壓力為1.1 MPa,放氣開始瞬間管路壓力迅速增高,因此減壓閥進(jìn)口壓力先迅速增加然后逐漸下降,管路壓力迅速增加的時間為微秒級。

3)出口流量和壓力變化趨勢一致,當(dāng)放氣終止,管道直徑為3 mm時,減壓閥進(jìn)口壓力為2.11～2.55 MPa,出口流量為12～15 g/s;管道直徑為6 mm時,減壓閥進(jìn)口壓力為5.76～6.23 MPa,出口流量為29.3～31 g/s。

3.2 管道流速動態(tài)特性分析

氫氣供給過程中管路流速變化如圖6所示,具體仿真結(jié)果如下。

圖6 管路流速變化曲線

1)由于瓶內(nèi)的氫氣壓力遠(yuǎn)高于管路壓力,根據(jù)管路理論,出口速度應(yīng)達(dá)到聲速量級。2種尺寸管道在前20～30 s放氣階段,流速差距不明顯,放氣速度可達(dá)到1 200～1 400 m/s量級,約50 s后道直徑3 mm的管放氣速度高于管道直徑6 mm的,主要原因?yàn)楣艿乐睆? mm的放氣流量大,剩余流量低。

2)截止時刻,直徑3 mm管道流速為120～150 m/s,直徑6 mm管道流速約300 m/s。

3.3 氫氣瓶壓力動態(tài)特性分析

氫氣瓶壓力動態(tài)變化過程如圖7所示,仿真結(jié)果如下。

圖7 氫氣瓶壓力動態(tài)變化過程

1)直徑6 mm管道氫氣壓力下降速度明顯更快。

2)剩余氫氣質(zhì)量變化趨勢與壓力變化趨勢相同。

3.4 氫系統(tǒng)加氫過程氫氣瓶動態(tài)特性仿真

3.4.1 充氣溫度為-45 ℃時的氫氣瓶動態(tài)特性仿真

圖8為充氣溫度為-45 ℃時氫氣瓶內(nèi)部壓力及溫度動態(tài)分布特性曲線,通過仿真得出以下結(jié)果。

圖8 氫氣瓶平均壓力及溫度變化

1)充氣時間在692.73 s左右時,各氫氣瓶內(nèi)壓力均達(dá)到80 MPa,充氣可認(rèn)為結(jié)束。

2)隨充氣時間增加,氫瓶壓力逐漸增大且增壓速率增強(qiáng),溫度在初始20 s時間段內(nèi)增加較快,隨后近似線性增加。

3)各氫氣瓶內(nèi)的壓力及溫度變化差距不明顯,充氣結(jié)束時,各瓶內(nèi)壓力為80～81 MPa,氫氣溫度為317～318 K(44～45 ℃),存儲氫氣質(zhì)量約為5.3 kg,內(nèi)襯溫度為308 K(35 ℃),外層復(fù)合材料溫度為297 K(24 ℃),各儲氫氣瓶狀態(tài)參數(shù)差異微小。

3.4.2 充氣溫度為15 ℃時的氫氣瓶動態(tài)特性仿真

圖9為充氣溫度為15 ℃時氫氣瓶內(nèi)部壓力動態(tài)特性仿真。通過仿真得出以下結(jié)果。

圖9 氫氣瓶壓力動態(tài)特性仿真

1)充氣時間為650.08 s,各氫氣瓶內(nèi)壓力達(dá)到80 MPa,充氣可認(rèn)為結(jié)束,與-45 ℃充氣工況相比,充氣時間約快43 s。

2)充氣停止時氫氣所最高溫度為345 K(72 ℃),內(nèi)襯溫度為332 K(59 ℃),外層溫度為308 K(35 ℃),充氣質(zhì)量為5.12～5.16 kg。相比45 ℃充氣工況,氫氣最高溫度提高28 ℃,內(nèi)襯溫度提高24 ℃,外層溫度提高11 ℃,充氣質(zhì)量減少0.16 kg,充氣率降低。

3.5 仿真總結(jié)

本文通過Fluent流體仿真分析軟件,對氫氣供給系統(tǒng)、氫氣加注系統(tǒng)的流體動態(tài)特性、仿真管路直徑參數(shù)對氫氣供給過程流體動態(tài)特性影響、充氣溫度對氫氣加注過程氫氣瓶溫度分布影響等進(jìn)行了仿真。通過該仿真,在設(shè)計(jì)階段對氫系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了有效的驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合Fluent流體仿真分析軟件,根據(jù)車載氫系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)、使用工況,搭建三維流體仿真模型,對車載氫系統(tǒng)的應(yīng)用場景、動態(tài)響應(yīng)等進(jìn)行有效覆蓋分析,可解決以往項(xiàng)目在產(chǎn)品樣機(jī)試驗(yàn)階段才能進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的問題,為后續(xù)類似項(xiàng)目提供了參考。