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原文传递船用储氢罐充注过程数值模拟研究

论文题名：	船用储氢罐充注过程数值模拟研究
关键词：	氢燃料电池船舶;储氢罐;充注过程;温升规律;数值模拟
摘要：	高压储氢是目前应用最广泛和发展最成熟的储氢方式，具有成本低、可靠性高、能耗低及充放速度快等优点，因此高压气态储氢将可能是氢燃料电池船舶发展初期储氢技术的主流方案。由于船用储氢罐在充注过程中会因压缩效应、焦耳-汤姆孙效应等造成温度升高，从而影响储氢罐内部结构的安全性，进而影响氢燃料电池船舶的安全，因此有必要对储氢罐的充注过程进行全面的研究。　　本文通过计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）二维轴对称模型和三维模型对70MPa,Ⅲ型储氢罐的充注过程进行了数值模拟分析，得到了充注过程的温升及温度分布规律，并且为了保证充注过程的安全性与高效性，进一步研究了结构参数和充注参数对于储氢罐充注过程造成的影响。本文的主要研究内容如下：　　（1）针对储氢罐充注过程的氢气流动及温升规律进行了分析。利用流动迹线与温度云图对充注过程中氢气的产热及传热情况进行了探究；研究了储氢罐内氢气和罐壁的热量传递情况，得到了各区域的温升演化规律；为模拟真实的充注过程，将CFD二维轴对称模型与三维模型的数值模拟结果进行了对比分析，得到了重力对于氢气及壁面温度分布的影响作用机制，并由此提出了关于储氢罐充注之前需进行氢气预冷的技术建议。　　（2）针对储氢罐的结构参数对充注过程的影响进行了分析。研究了不同长径比、入口直径、入口管长度的储氢罐在充注过程中的温升情况，得到了不同结构参数对于氢气分布的影响规律。储氢罐的长径比越大，氢气进入储氢罐之后流动至罐底的距离增大，最后在罐底区域形成更加明显的局部高温区域，尽量降低储氢罐的长径比可以提高储氢罐充注过程的安全性；较小的入口直径可以促进充入的氢气对原有氢气的扰动，避免产生局部的热量聚集；入口管越长，储氢罐肩部区域的热量聚集情况越严重，尽量减小入口管的长度可以有效提高充注过程的安全性。　　（3）针对充注参数对充注过程的影响进行了分析。分别研究了环境温度、入口温度、充注时长、初始压力四个单充注参数对于充注过程温升的影响规律。氢气的入口温度与充注结束时氢气的平均温度之间存在线性关系，入口温度每降低10℃，充注结束时的氢气平均温度可以降低约7.0℃，适当对充入的氢气进行预冷可以保证充注的安全并且提高充注的氢气量；环境温度和充注时长对于充注结束时的氢气平均温度的影响较小，在实际充注过程中适当的增加充注时长可以延长壁面散热的时长，降低储氢罐的整体温度；充注之前储氢罐内的初始压力越高，则充注结束时氢气的平均温度越低，但是在储氢罐的一个充放周期内氢气未能得到充分的利用。后续在以单充注参数对于温升的影响规律的基础上进行了多充注参数对温升的综合影响分析，通过非线性拟合得到了相关的多参数对于温升的影响关联式，可为实际的充氢过程提供了一定的参考。
作者：	王洪宇
专业：	轮机工程
导师：	尹奇志;袁裕鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022