碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶快充過程溫升機(jī)理分析

摘要： 碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶在國(guó)內(nèi)已被大范圍使用，氣瓶的工作壓力主要包括35 MPa和70 MPa，目前加氫站還沒有一套科學(xué)合理的充氣加壓程序作為支撐，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致氣瓶在日后的充裝過程中產(chǎn)生缺陷.綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)氣瓶快速充裝過程的溫升機(jī)理展開研究，采取數(shù)值模擬方式，通過用戶自定義功能擴(kuò)充仿真計(jì)算模型，深入分析充裝過程，探究不同容積、不同儲(chǔ)存壓力、不同充裝時(shí)間的車用儲(chǔ)氫氣瓶在常溫下快速充裝過程中溫度的變化規(guī)律，為今后加氫站及檢驗(yàn)檢測(cè)單位對(duì)充裝工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù).研究結(jié)果表明：氣瓶容積越大，充裝過程中的平均溫度越低，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；氣瓶?jī)?chǔ)存壓力越大，充裝過程中的平均溫度越高甚至局部超出85 ℃；氣瓶充裝時(shí)間越長(zhǎng)，充裝過程中的平均溫度越低；瓶口采用線性升壓方式加壓充裝的氣瓶?jī)?nèi)平均壓力也呈同規(guī)律線性增加.

關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)氫氣瓶；快充；線性升壓；溫升

中圖分類號(hào)： S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）05-0470-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0109

歐晨希，黃思，楊剛.碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶快充過程溫升機(jī)理分析［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（5）：470-476.

OU Chenxi，HUANG Si，YANG Gang.Analysis of temperature rise mechanism of carbon fiber full-wrapped hydrogen storage cylinder during fast charging process［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（5）：470-476.（in Chinese）

Analysis of temperature rise mechanism of carbon fiber full-wrapped

hydrogen storage cylinder during fast charging process

OU Chenxi1，HUANG Si1*，YANG Gang2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510641， China; 2. Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research， Foshan， Guangdong 528000， China）

Abstract： Carbon fiber fully-wrapped hydrogen storage cylinders have been widely used in China， with working pressure of the cylinders mainly includes 35 MPa and 70 MPa.At present， there is no reasonable charging and pressurization procedure for the hydrogen refueling station， which will inevitably lead to new defects in the filling process of the cylinders in the future. Based on the research status at home and abroad， the heating mechanism of the rapid filling process of gas cylinders was studied. The simulation calculation model was expanded through UDF， and the filling process was deeply analyzed. The temperature change law of vehicle hydrogen storage cylinders with different volumes， different storage pressures and different filling times during the rapid filling process at room temperature were explored. It provided a test basis for the optimization of the filling process by the hydrogen refueling station and the inspection and testing unit in the future. The research results indicate that the larger the cylinder volume， the lower the average temperature during the filling process， but the difference is not statistically significant. The higher the storage pressure of the gas cylinder， the higher the average temperature during the filling process and even partially exceeds 85 ℃. The longer the cylinder filling time， the lower the average temperature during the filling process. The average pressure in the cylinders that are pressurized and filled by the linear pressure boosting method also increases linearly with the same law.

Key words： hydrogen storage cylinder;fast charging;linear boost;temperature rise

氫燃料電池汽車以其環(huán)保、效率高等特點(diǎn)正在被人們所熟知.目前加氫站儲(chǔ)氫氣瓶一次充滿時(shí)間大約為3～5 min，在車用儲(chǔ)氫氣瓶快充過程中氣瓶?jī)?nèi)部會(huì)產(chǎn)生顯著溫升，由于碳纖維復(fù)合纏繞層對(duì)溫度和升壓速度具有較高的敏感性，充裝過程中氣瓶?jī)?nèi)部快速的升溫升壓會(huì)直接導(dǎo)致纏繞層脫黏、纖維斷裂等問題.故分析影響碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶快充過程中溫升的因素以及探究其溫升的規(guī)律十分有必要.

針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列科學(xué)研究.YANG［1］對(duì)儲(chǔ)氫氣瓶充裝過程進(jìn)行了熱力學(xué)分析.XIAO等［2］認(rèn)為儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫度的解析解可由壓縮儲(chǔ)氫罐的簡(jiǎn)化熱力學(xué)模型得到，可表示為初始溫度、進(jìn)氣溫度和環(huán)境溫度的加權(quán)平均形式，加權(quán)因素與充裝質(zhì)量、壓力、壓力上升速率等有關(guān).GALASSI等［3］建立了一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)模型，以研究帶有塑料內(nèi)襯的70 MPa COPV的溫度問題.MELIDEO等［4］為降低最高溫度，在充裝過程中進(jìn)行預(yù)冷，研究了預(yù)冷對(duì)溫度的影響.ZHENG等［5］通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了帶有金屬襯里的COPV的溫度問題，發(fā)現(xiàn)COPV的后穹頂存在最高溫度.DICKEN等［6］發(fā)現(xiàn)在填充過程中，初始?jí)毫吞畛渌俾蕰?huì)影響COPV內(nèi)的溫升.LI等［7］采用理論和數(shù)值方法研究了82 MPa，343 L氣瓶在充氫過程中內(nèi)部氫氣溫度隨壓力升高的變化，表明氣瓶?jī)?nèi)部溫度最高可達(dá)到436.09 K，儲(chǔ)罐質(zhì)量達(dá)到12.26 kg.王光緒等［8］通過仿真軟件Fluent對(duì)35 MPa，120 L的Ⅲ型碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶快速充氣進(jìn)行模擬，結(jié)果說明不同長(zhǎng)徑比及不同進(jìn)口直徑都會(huì)對(duì)氣瓶?jī)?nèi)溫度分布規(guī)律及氣瓶?jī)?nèi)最高溫度產(chǎn)生影響.LI等［9］利用Matlab/Si-mulink建立了Ⅳ型19 L和29 L、Ⅲ型40 L壓縮儲(chǔ)氫罐的熱力學(xué)模型，研究了質(zhì)量流量和傳熱系數(shù)對(duì)充氫性能的影響并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.

綜上，國(guó)外研究的大多為塑料內(nèi)襯的Ⅳ型氣瓶，而中國(guó)目前使用的都為金屬內(nèi)襯的Ⅲ型氣瓶，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫氣瓶快充過程的溫升研究雖有成果，但氣瓶快充過程中溫升與氣瓶體積、儲(chǔ)存壓力、充裝時(shí)間的關(guān)系尚未清晰，氣瓶?jī)?nèi)壓力和質(zhì)量流量變化也有待探索.因此文中選取工作壓力35 MPa（130 L，165 L）和70 MPa（134 L）3種不同規(guī)格的Ⅲ型碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶為研究對(duì)象，研究在常溫條件下氣瓶快充過程中的溫度變化，闡明不同容積、不同儲(chǔ)存壓力、不同充裝時(shí)間對(duì)氣瓶溫升影響的規(guī)律.

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

文中研究以CHG3-358-134-70 S/B及CHG3-373-165/130-35 T/A車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶為對(duì)象.圖1為氣瓶設(shè)計(jì)圖，表1為各規(guī)格氣瓶尺寸參數(shù)表.圖中L，d分別為氣瓶長(zhǎng)度和直徑.

氣瓶由長(zhǎng)圓柱體及2個(gè)圓形封頭組成.閥門處設(shè)有橡膠O型密封圈，充氣管為伸入式；內(nèi)膽為6061鋁合金，金屬內(nèi)襯比塑料內(nèi)襯具有更好的密封性能，以確保氣瓶在充裝過程中氣密性良好，但金屬在高溫下易產(chǎn)生變形；纏繞層材料采用T700碳纖維經(jīng)環(huán)氧樹脂體系浸漬后纏繞在內(nèi)膽外表面，碳纖維復(fù)合材料具有很高的拉伸強(qiáng)度且熱導(dǎo)率較小，以保證氣瓶在充裝過程中的安全性.

1.2 計(jì)算模型

充氣過程中氣體流速可認(rèn)為足夠大，即可忽略氫氣的浮力作用，故所有計(jì)算模型均簡(jiǎn)化為圖2所示二維軸對(duì)稱模型［10］.圖2將氣瓶簡(jiǎn)化為3層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為流體區(qū)域，外部分別為鋁合金內(nèi)襯層以及碳纖維復(fù)合材料纏繞層，氣瓶?jī)?nèi)徑分別340 mm（CHG3-358-134-70 S/B）和354 mm（CHG3-373-165/130-35 T/A），鋁合金內(nèi)襯厚度均為10 mm，碳纖維纏繞層厚度分別為25 mm和15 mm，進(jìn)氣口的直徑為20 mm.所有網(wǎng)格都采用了Mesh自動(dòng)生成的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，固體域?yàn)檩^規(guī)則的8 mm×8 mm四邊形網(wǎng)格，流場(chǎng)域?yàn)檫呴L(zhǎng)在8 mm以下的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，并對(duì)氣瓶入口處進(jìn)行局部加密.

1.3 參數(shù)設(shè)置

1.3.1 流動(dòng)相關(guān)參數(shù)

數(shù)值模擬采用仿真軟件ANSYS Fluent.選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并在此基礎(chǔ)上將常系數(shù)C1ε由1.44調(diào)整為1.52［11］.

普朗特?cái)?shù)表明溫度邊界層和流動(dòng)邊界層的關(guān)系，反映流體物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱的影響.本次模擬的湍流普朗特?cái)?shù)取0.3，壁面普朗特?cái)?shù)取0.7，能量普朗特?cái)?shù)取0.7.

1.3.2 氣瓶材料物理性質(zhì)參數(shù)

在快速充裝過程中，由于氣瓶充氣入口流速很高、最終瓶?jī)?nèi)壓力較大，為考慮氣體的壓縮效應(yīng)，流體域選擇Redich-Kwong真實(shí)氣體方程.

除了根據(jù)真實(shí)氣體模型進(jìn)行氫氣的計(jì)算外，固體域中的鋁合金內(nèi)襯和碳纖維復(fù)合材料層的物性參數(shù)是需要依照實(shí)際設(shè)置的.表2為氣瓶固體域各層材料物性參數(shù)，其中碳纖維復(fù)合材料層熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)化為各項(xiàng)同性，表中ρ為密度，c為比熱，λ為熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為等效熱導(dǎo)率［12］.

1.3.3 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算所設(shè)置的邊界條件：儲(chǔ)氫氣瓶入口條件設(shè)置為pressure-inlet壓力入口.由于工藝要求儲(chǔ)氫氣瓶快速充裝需要在3～5 min完成，故通過Fluent的UDF功能來補(bǔ)充完善仿真計(jì)算模型，使氣瓶充氣入口的表總壓線性增加到氣瓶標(biāo)定儲(chǔ)存壓力（35，70 MPa），選取180 s和300 s進(jìn)行氫氣快速充裝模擬，具體變化函數(shù)如公式（1）—（3）；儲(chǔ)氫氣瓶所有部分初始?jí)毫榇髿鈮?，初始溫度與環(huán)境溫度相同［13］，為298 K；儲(chǔ)氫氣瓶快速充裝過程結(jié)束的標(biāo)志為氣瓶?jī)?nèi)壓力達(dá)到標(biāo)定儲(chǔ)存壓力；氣瓶外壁面與外部環(huán)境的對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)為6 W/（m2·K）［14］；儲(chǔ)氫氣瓶快速充氫過程中，充入的氫氣未經(jīng)過預(yù)冷處理，其溫度與環(huán)境溫度相同；氣瓶?jī)?nèi)襯與氫氣界面采用Fluent中的流固耦合邊界.

P=100 000+193 888T， 0＜t＜180，（1）

P=100 000+388 333T， 0＜t＜180，（2）

P=100 000+233 000T， 0＜t＜300.（3）

數(shù)值模擬采用壓力基求解器，計(jì)算方法采用PISO算法，壓力采用標(biāo)準(zhǔn)離散，動(dòng)量方程釆用二階迎風(fēng)離散，湍流動(dòng)能及其耗散率計(jì)算方程和能量方程也釆用二階迎風(fēng)離散，瞬時(shí)方程釆用二階隱式.設(shè)置計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，每個(gè)時(shí)間步的最大迭代次數(shù)為20.

2 氣瓶溫升規(guī)律

文中運(yùn)用數(shù)值模擬研究了4個(gè)不同工況下的氣瓶：① 130 L，35 MPa，180 s；② 165 L，35 MPa，180 s；③ 134 L，70 MPa，180 s；④ 134 L，70 MPa，300 s，對(duì)其內(nèi)部氫氣溫升規(guī)律進(jìn)行總結(jié)對(duì)比.

T2=p2T0cp0+αp2p1cv1T1T1+αp1－p1cp0T0T1+αp1p2cv2－p1cv1T1T1+αp1+p1cp0T0T1+αp1，（4）

式中：p2，T2分別為充入氫氣后的壓強(qiáng)和平均溫度；cv2為充裝后氫氣的等容比熱容；p1，T1，cv1分別為初始?xì)錃獾膲毫?、平均溫度和等容比熱容；p0，T0，cp0分別為儲(chǔ)氫罐的壓力、溫度和等壓比熱容；α為常數(shù)，α=1.915 5×10-6 K/Pa.

采用參考文獻(xiàn)［14］的解析解對(duì)CFD模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)計(jì)算得到的溫度與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示，計(jì)算結(jié)果與解析解吻合較好，最大差異小于5 K，說明數(shù)值計(jì)算的可行性.

2.1 不同容積的氣瓶快充溫升規(guī)律

圖4為2個(gè)同一類型不同容積的氣瓶充裝過程中瓶?jī)?nèi)氫氣平均溫度的變化曲線圖，T為平均溫度，t為時(shí)間.在充裝開始的極短時(shí)間內(nèi)氣瓶?jī)?nèi)部平均溫度快速升高，隨后由于高壓氫氣充入儲(chǔ)氫氣瓶時(shí)，對(duì)從高壓氣源流出的氫氣而言，是一個(gè)近似的絕熱放氣過程，所以氫氣溫度有小幅度下降，但隨即呈平穩(wěn)上升且上升速率逐漸減小.容積為130 L的氣瓶在充裝結(jié)束時(shí)刻平均溫度達(dá)362.8 K，而容積為165 L的氣瓶在充裝結(jié)束時(shí)刻平均溫度達(dá)到360.6 K，即當(dāng)氣瓶?jī)?chǔ)存壓力為35 MPa、充裝時(shí)間為180 s時(shí)，氣瓶容積越小，充裝過程中平均溫度越高，但差異并不十分明顯.

氣瓶充裝完成時(shí)刻的流線圖和溫度分布如圖5所示.從圖5a可以看出，容積130 L、在180 s充裝時(shí)間下達(dá)到35 MPa的氣瓶在充裝完成時(shí)刻溫度分布不均勻，局部高溫區(qū)域只出現(xiàn)在氣瓶頂端，充裝入口射流線附近溫度最低，鋁合金內(nèi)襯層及碳纖維復(fù)合纏繞層溫度均有明顯升高；而容積165 L、在180 s充裝時(shí)間下達(dá)到35 MPa的氣瓶在充裝過程中的流線和溫度分布圖與130 L的有較大區(qū)別，從圖5b可以看出，該氣瓶除頂端存在局部高溫區(qū)域外，底端溫度也較高，中心位置溫度較低，碳纖維復(fù)合材料外層溫度無明顯升高.

分析圖5c可知，氣瓶充氣口處流速最大，氫氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)在中后方區(qū)域形成了一個(gè)大旋渦，而在氣瓶頂端形成了一個(gè)小旋渦，2個(gè)旋渦交界處形成滯留域，對(duì)應(yīng)上述局部高溫區(qū)域，且可看出頂部流線明顯多于底部流線，對(duì)應(yīng)了上述氣瓶頂端溫度高于底端；而從圖5d可以看出，由于該氣瓶容積較大，氣瓶長(zhǎng)度較大，流線圖大旋渦位置移向氣瓶中心，氣瓶頂端及底端流線都較多.

在快充過程中，氫氣溫度的不斷上升與幾種產(chǎn)熱機(jī)制有關(guān)：充裝氣體從儲(chǔ)氫罐經(jīng)過加注裝置進(jìn)入氣瓶時(shí)，首先在節(jié)流裝置中發(fā)生等熵膨脹，產(chǎn)生的“焦耳-湯姆遜效應(yīng)”，也即絕熱節(jié)流的溫度效應(yīng)，由于氫氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)在操作工況下為負(fù)值，氫氣的溫度隨氫氣加注壓力增加而升高.高速氫氣進(jìn)入氣瓶后，由于瓶?jī)?nèi)初始?jí)毫Φ?，高壓入射氫氣迅速膨脹并與瓶?jī)?nèi)原有氫氣混合，混合后的入射氫氣流速度減小，入射動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，導(dǎo)致溫度升高［14］.混合后的瓶?jī)?nèi)氫氣壓力上升，產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，從而放出大量熱量［15］.同時(shí)一部分熱量經(jīng)過壁面?zhèn)鲗?dǎo)到周圍環(huán)境中，一部分儲(chǔ)存在壁面各層內(nèi).這幾種產(chǎn)熱機(jī)制中，以壓縮效應(yīng)的產(chǎn)熱貢獻(xiàn)最為顯著.

2.2 不同儲(chǔ)存壓力的氣瓶快充溫升規(guī)律

由2.1所述已知?dú)馄咳莘e對(duì)快充溫升影響較小，且碳纖維復(fù)合材料纏繞層厚度對(duì)氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫度變化影響也較小，因此選取2種容積相似、儲(chǔ)存壓力分別為35 MPa和70 MPa的氣瓶進(jìn)行不同儲(chǔ)存壓力的氣瓶快充溫升規(guī)律對(duì)比.圖6給出了2種氣瓶充裝過程中瓶?jī)?nèi)氫氣平均溫度的變化曲線圖.

從圖6中可以看出，在常溫下進(jìn)行充裝時(shí)間為180 s、儲(chǔ)存壓力為70 MPa的氣瓶的充裝過程中，氣瓶?jī)?nèi)氫氣平均溫度在充裝開始的極短時(shí)間內(nèi)快速升高，從298.0 K升高到336.0 K，隨后開始平緩上升且上升速率逐漸減小，到180 s充裝結(jié)束時(shí)刻，氣瓶?jī)?nèi)平均溫度達(dá)到381.5 K，比儲(chǔ)存壓力為35 MPa的氣瓶最終平均溫度高了接近20 K.在氣瓶充裝的整個(gè)過程中，儲(chǔ)存壓力高的氣瓶?jī)?nèi)平均溫度始終高于儲(chǔ)存壓力低的氣瓶，且溫差逐漸拉大.因此，氣瓶的儲(chǔ)存壓力的變化對(duì)氣瓶快充溫升影響十分顯著.

2.3 不同充裝時(shí)間的氣瓶快充溫升規(guī)律

圖7為2個(gè)同一類型不同充裝時(shí)間的氣瓶在充裝過程中氣瓶?jī)?nèi)氫氣平均溫度的變化曲線圖，從圖中可以看出，充裝時(shí)間較長(zhǎng)的氣瓶在整個(gè)充裝過程中平均溫度都比充裝時(shí)間較短的氣瓶低，充裝結(jié)束時(shí)刻瓶?jī)?nèi)平均溫度為376.4 K，比充裝時(shí)間為180 s的氣瓶低5 K.在充裝開始的極短時(shí)間內(nèi)氣瓶?jī)?nèi)部平均溫度快速升高，隨后呈平穩(wěn)上升且上升速率逐漸減小，且充裝時(shí)間為300 s的氣瓶速率減小更為明顯.當(dāng)氣瓶?jī)?chǔ)存壓力高達(dá)70 MPa時(shí)，增長(zhǎng)充裝時(shí)間會(huì)降低整個(gè)充裝過程中的平均溫度，提高充裝安全性，但最終也會(huì)達(dá)到較高的溫度.

氣瓶充裝完成時(shí)刻的流線圖和溫度分布如圖8所示.從圖8a，b可以看出，容積134 L、在180 s充裝時(shí)間下達(dá)到70 MPa的氣瓶在充裝過程中局部高溫區(qū)域出現(xiàn)在氣瓶頂端，氣瓶底端溫度也較高，氣瓶中部溫度低于兩端，充裝入口射流線附近溫度最低；分析圖8c可知，氣瓶充氣口處流速最大，氫氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)在中部區(qū)域形成了一個(gè)大旋渦，而在氣瓶頂端形成了一個(gè)小旋渦，兩個(gè)旋渦邊界的交界處形成滯留域，造成局部高溫，在氣瓶快充的整個(gè)過程，氣瓶底端區(qū)域流線以及頂端區(qū)域流線都較多.圖8d所示容積134 L、在300 s充裝時(shí)間下達(dá)到70 MPa的氣瓶在充裝完成時(shí)刻的流線和溫度分布圖與充裝時(shí)間為180 s的差異不大.

總結(jié)上述4種工況在充裝過程中氣瓶?jī)?nèi)平均溫度變化規(guī)律可知，當(dāng)充裝時(shí)間均為180 s，70 MPa氣瓶溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2種氣瓶，平均溫度最高可以達(dá)到381.5 K，在充裝結(jié)束時(shí)刻瓶?jī)?nèi)最高溫度可達(dá)到395.0 K；而儲(chǔ)存壓力均為70 MPa的氣瓶，雖然充裝時(shí)間增長(zhǎng)到了300 s，但氣瓶?jī)?nèi)平均溫度最終也達(dá)到了376.4 K，最高溫度有387.2 K.即儲(chǔ)存壓力是影響儲(chǔ)氫氣瓶快充溫升的最大因素，當(dāng)氣瓶?jī)?chǔ)存壓力較高時(shí)，快充造成的溫升將影響氣瓶安全性.

碳纖維復(fù)合層材料是碳纖維增強(qiáng)材料與樹脂基體組成的材料，當(dāng)溫度超過85 ℃時(shí)，會(huì)誘發(fā)環(huán)氧樹脂剝離、碳纖維失效，導(dǎo)致外層樹脂性能下降，進(jìn)而影響氣瓶的安全性.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 15869）和規(guī)范（如SAE TIR J2579）對(duì)充氫過程溫度一般限制在85 ℃以下.當(dāng)氣瓶?jī)?chǔ)存壓力較高時(shí)，充裝前的氫氣可考慮經(jīng)過預(yù)冷處理或提高充氣初始?jí)毫?、降低充氣初始溫度，將快速充裝過程中氣瓶?jī)?nèi)部溫度控制在合理安全的范圍.

為保證高壓氣瓶充裝安全，除研究氣瓶?jī)?nèi)部溫升情況外，氣瓶邊界層溫度變化也值得關(guān)注.圖9為4種不同工況下氣瓶邊界層在充裝完成時(shí)刻的溫度分布情況.

氣瓶?jī)?nèi)部的邊界層分別為氣瓶?jī)?nèi)膽-鋁以及鋁-碳纖維復(fù)合層，與前文所述溫度分布圖對(duì)應(yīng)可看出，邊界層溫度在氣瓶充裝完成時(shí)刻沿氣瓶長(zhǎng)度的分布情況，130 L氣瓶邊界層最高溫在瓶底，而其他工況下的氣瓶邊界層最高溫處于氣瓶中后部，在底部封頭部分附近溫度開始下降，整體上氣瓶尾部溫度大大高于氣瓶頭部，這是因?yàn)闅怏w高速進(jìn)入氣瓶，流速過高導(dǎo)致容積較小、長(zhǎng)徑比較小的氣瓶底部多次受到氣體沖撞而產(chǎn)生高溫，容積較大或長(zhǎng)徑比較大的氣瓶的高溫區(qū)則產(chǎn)生在靠近瓶底處.邊界層最高溫度小于氣瓶?jī)?nèi)部最高溫度.且由于鋁合金熱導(dǎo)率較大，傳熱性能好，故氣瓶?jī)?nèi)膽-鋁以及鋁-碳纖維復(fù)合層的溫度相差極小.

3 氣瓶?jī)?nèi)壓力變化規(guī)律

氣瓶充氣口處壓力呈線性增加.圖10為上述4種工況下氣瓶?jī)?nèi)部平均壓力的變化曲線圖，p為平均壓力.從圖10可以看出，在氣瓶快速充裝過程中，氣瓶?jī)?nèi)部平均壓力也同氣瓶充氣口處一樣呈線性增加直至達(dá)到氣瓶標(biāo)定儲(chǔ)存壓力.

分析可知，無論是35 MPa還是70 MPa氣瓶，不同儲(chǔ)存壓力的氣瓶入口處壓力與氣瓶?jī)?nèi)平均壓力的變化幾乎重合，但氣瓶?jī)?nèi)平均壓力相較入口處壓力稍具有滯后性.已有試驗(yàn)證實(shí)，在實(shí)際充裝過程中，氣體壓力在合理誤差內(nèi)呈線性增長(zhǎng).

4 氣瓶充氣入口處質(zhì)量流量變化規(guī)律

圖11為上述4種工況下的氣瓶在充氣過程中幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)時(shí)刻氣瓶充氣入口處質(zhì)量流量Qm的變化曲線圖.從圖中可以看出，4種工況下的氣瓶在充裝過程中入口處質(zhì)量流量都隨時(shí)間而逐漸減小，且減小的速率逐漸變慢.容積為165 L的氣瓶入口處質(zhì)量流量最大，充裝時(shí)間為300 s的氣瓶入口處質(zhì)量流量最小.

隨著氣瓶充裝的進(jìn)行，氣瓶?jī)?nèi)部溫度升高，壓力增大，氫氣的密度也會(huì)發(fā)生變化，將對(duì)氣瓶最終的充注量產(chǎn)生影響.美國(guó)國(guó)家能源部DOE官網(wǎng)上給出的最新制定的儲(chǔ)氫目標(biāo)氣瓶體積儲(chǔ)氫密度為40 g/L.

對(duì)圖11曲線進(jìn)行積分，可得最終氫氣充裝質(zhì)量，結(jié)果如表3所示，表中mH1，mH2分別為實(shí)際氫氣和目標(biāo)氫氣質(zhì)量.由表對(duì)比可知，4種工況下氣瓶最終充裝質(zhì)量都能與目標(biāo)值較為接近，說明本次研究具有合理性及可行性.

5 結(jié) 論

1） 碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶在整個(gè)充裝過程中入口處壓力非恒定，因此采用UDF用戶自定義功能補(bǔ)充完善計(jì)算模型，使得入口處壓力隨時(shí)間線性變化.

2） 氣瓶容積對(duì)氣瓶快速充裝過程的升溫影響較小，容積越大的氣瓶平均溫度越低，但差異并不顯著；充裝時(shí)間對(duì)氣瓶快速充裝過程的升溫影響較大，充裝時(shí)間越長(zhǎng)，氣瓶升溫速率越小，平均溫度越低；氣瓶?jī)?chǔ)存壓力對(duì)氣瓶快速充裝過程的升溫影響最為明顯，儲(chǔ)存壓力越大，氣瓶平均溫度越高.充裝完成時(shí)刻最高溫區(qū)域?yàn)闅馄课膊?若在常溫下進(jìn)行高壓儲(chǔ)氫氣瓶快速充裝，瓶?jī)?nèi)最高溫度將超出氣瓶限制安全溫度，應(yīng)考慮采用適當(dāng)?shù)姆绞浇档蜏囟?

3） 在快速充裝過程中，氣瓶?jī)?nèi)部平均壓力也同氣瓶充氣口處呈同樣規(guī)律線性增加直至氣瓶標(biāo)定儲(chǔ)存壓力；入口處質(zhì)量流量都隨時(shí)間而逐漸減小，氫氣充裝質(zhì)量接近目標(biāo)值.

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（責(zé)任編輯 談國(guó)鵬）

收稿日期： 2022-04-25； 修回日期： 2022-07-25； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-04-24

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240423.0949.004

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21878102）

第一作者簡(jiǎn)介： 歐晨希（1997—），女，廣東韶關(guān)人，碩士研究生（770581636@qq.com），主要從事流體機(jī)械研究.

通信作者簡(jiǎn)介： 黃思（1962—），男，廣西南寧人，教授，博士生導(dǎo)師（huangsi@scut.edu.cn），主要從事流體機(jī)械研究.