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        燃料電池城市客車氫氣泄漏擴(kuò)散研究

        2019-12-20 06:36:52胡中強(qiáng)鄧亞東李景利
        數(shù)字制造科學(xué) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        胡中強(qiáng),鄧亞東,李景利,冉 淵

        (1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070; 2.中通汽車工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山東 聊城 252000)

        燃料電池汽車憑借其零排放、加氫時間短、續(xù)駛里程長等優(yōu)點逐漸成為企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)熱點[1]。城市客車由于布置空間充足、配套設(shè)施易于建設(shè),以及可觀的燃料電池汽車補(bǔ)貼,使得國內(nèi)各大客車廠家都加大了對燃料電池客車的研發(fā)力度[2]。但是,氫氣的擴(kuò)散系數(shù)大,爆燃的體積范圍廣,而現(xiàn)在的儲氫技術(shù)很難完全避免氫氣的泄漏擴(kuò)散,因此氫氣的存儲與應(yīng)用仍存在一定的危險性[3-4]。

        由于氫氣泄漏試驗危險性高,現(xiàn)在主要利用物理性質(zhì)相近的惰性氣體代替氫氣進(jìn)行試驗,或者直接采用數(shù)值模擬計算方法對氫氣的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行研究[5-6]。但以往的研究主要涉及開放環(huán)境或大型室內(nèi)空間,對于客車氫氣瓶艙這種狹小半開放區(qū)域內(nèi)的氫氣泄漏擴(kuò)散情況研究甚少。因此,筆者采用數(shù)值模擬對燃料電池城市客車氫氣瓶艙內(nèi)氫氣泄漏擴(kuò)散的規(guī)律進(jìn)行了分析,相關(guān)結(jié)論可以為燃料電池客車氫安全設(shè)計以及氫安全監(jiān)測提供一定的參考。

        1 數(shù)值模擬

        1.1 物理模型

        考慮客車的布置空間與外觀造型等問題,目前大部分燃料電池客車均把氫氣瓶艙布置在車輛頂部[7],如圖1所示。該燃料電池客車,其頂部氫氣瓶艙布置于空調(diào)前方,提取出來的氫氣瓶艙的三維模型如圖2所示。模型坐標(biāo)系與車輛坐標(biāo)系保持一致:X軸平行于地面指向車輛前方,Z軸豎直向上,Y軸指向駕駛員的左側(cè)。設(shè)距離進(jìn)風(fēng)口最近的氫氣瓶軸線與氫氣瓶艙Y方向?qū)ΨQ面的交點作為坐標(biāo)原點。

        圖1 燃料電池客車外形圖

        圖2 氫氣瓶艙簡化模型

        氫氣瓶艙主體尺寸為1 910 mm×2 350 mm×280 mm,內(nèi)置4個直徑為370 mm,長1 800 mm的標(biāo)準(zhǔn)140 L氫氣瓶。氫氣瓶艙前后共開設(shè)4個380 mm×180 mm的進(jìn)出風(fēng)口,假設(shè)距進(jìn)風(fēng)口最近的氫氣瓶瓶口處發(fā)生泄漏,泄漏孔直徑為8 mm。

        1.2 網(wǎng)格劃分

        為了提高網(wǎng)格劃分的效率,采用四面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行劃分。由于氫氣泄漏口直徑較小,泄漏口附近氫氣處于高速射流狀態(tài),因此需要對泄漏口處網(wǎng)格進(jìn)行一定的加密處理,以此來提高網(wǎng)格質(zhì)量和計算精度。網(wǎng)格總體尺寸為20 mm,對泄漏口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密,加密尺寸分別為2 mm、0.4 mm,最終網(wǎng)格劃分情況如圖3所示,網(wǎng)格數(shù)量約400萬。

        圖3 氫氣瓶艙網(wǎng)格劃分示意圖

        1.3 計算系數(shù)設(shè)置

        對車輛在靜止與正常行駛兩種工況下的氫氣泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行計算,計算域邊界如圖2所示。

        選用FLUENT軟件的組分傳輸模塊及realizablek-ε湍流模型對客車頂部氫氣瓶艙內(nèi)氫氣的擴(kuò)散進(jìn)行計算[8]并做如下假設(shè):

        (1)泄漏口直徑保持不變,氫氣以恒定速率釋放,且假設(shè)為理想氣體;

        (2)氫氣泄漏過程中不與外界發(fā)生化學(xué)反應(yīng);

        (3)氫氣瓶艙的壁面等溫絕熱且光滑。

        車輛靜止時,計算域中氫氣瓶泄漏口邊界設(shè)定為質(zhì)量入口,泄漏速度取2 g/s[9],氫氣組分濃度設(shè)置為1,即認(rèn)為泄漏口為純氫氣泄漏;氫氣瓶艙的進(jìn)出風(fēng)口均設(shè)置為壓力出口,出口壓力為1個大氣壓,氫氣組分濃度設(shè)置為0,即認(rèn)為初始條件下氫氣瓶艙內(nèi)無微量泄漏的氫氣;其他壁面均設(shè)置為無滑移壁面;壓力、溫度、空氣密度和空氣粘度均采用溫度為25 ℃時的參數(shù)。計算中考慮重力的影響,重力加速度為9.8 m/s2。

        車輛正常行駛時,根據(jù)如圖4所示的中國典型城市公交循環(huán)工況[10],取該工況的平均車速15.9 km/h作為勻速工況的速度條件,計算域中氫氣瓶艙的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口(v=15.9 km/h),其余邊界條件與靜止工況一致。邊界條件的具體設(shè)置如表1所示。

        圖4 中國典型城市公交循環(huán)工況

        表1 邊界條件設(shè)置

        計算域邊界邊界類型邊界參數(shù)泄漏口質(zhì)量入口2 g/s進(jìn)風(fēng)口靜止:壓力出口勻速工況:速度入口靜止:大氣壓力勻速工況:15.9 km/h出風(fēng)口壓力出口大氣壓力氫氣瓶艙外壁無滑移壁面/氫氣瓶瓶身無滑移壁面/

        2 仿真結(jié)果分析

        為了對空間內(nèi)氫氣泄漏擴(kuò)散后的分布情況進(jìn)行更有效直觀的分析,X方向選取4個過氫氣瓶軸線的面以及最外側(cè)兩個等面積截面;Y方向選取整個模型的對稱面、通風(fēng)口的對稱面以及最外側(cè)兩個等面積截面;Z方向選取過4個氫氣瓶軸線的面作為特征面,即選取x=200、x=0、x=-430、x=-860、x=-1290、x=-1490;y=-1 000、y=-500、y=0、y=500、y=1 000;z=0(單位mm)這幾個面作為特征面進(jìn)行分析。

        2.1 靜止工況

        由于氫氣的爆炸范圍為4%~75%(體積分?jǐn)?shù)),因此在氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖中只顯示4%~75%的部分,可以更直觀地表示出氫氣瓶艙內(nèi)的危險區(qū)域分布。

        圖5 靜止工況下氫氣濃度分布云圖

        圖5為靜止工況下氫氣瓶艙內(nèi)各特征面上氫氣濃度(4%~75%)的分布圖。由圖5可以看出,整個氫氣瓶艙內(nèi)大部分區(qū)域的氫氣濃度都處于爆炸范圍之內(nèi)。氫氣泄漏后泄漏口處形成錐形的高濃度區(qū)域(圖5(c)中注明區(qū)域),局部氫氣濃度已經(jīng)超過75%的氫氣爆炸范圍。

        由于氫氣具有良好的擴(kuò)散性,因此氫氣在離開泄漏口一段距離后,濃度迅速下降,在接觸氫氣瓶艙壁面后迅速向四周擴(kuò)散,在整個氫氣瓶艙內(nèi)形成較為均勻的分布情況。

        隨著泄漏擴(kuò)散的進(jìn)行,由于氫氣密度小于空氣密度,氫氣有明顯的向上擴(kuò)散趨勢,因此整個氫氣瓶艙上部區(qū)域的氫氣濃度要略大于下部區(qū)域,形成分層現(xiàn)象。

        氫氣泄漏最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,氫氣在泄漏口處的頂角附近發(fā)生明顯的聚集,形成高濃度區(qū)域,濃度達(dá)到50%以上。同時氫氣瓶艙內(nèi)的大部分區(qū)域氫氣濃度在30%~50%之間。而氫氣瓶艙前后進(jìn)出風(fēng)口處的氫氣濃度較低,約在0%~10%范圍內(nèi),小部分區(qū)域低于4%的爆炸極限。

        在車輛長時間靜止不動時,若氫氣瓶艙內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏,氫氣瓶艙易發(fā)生爆炸燃燒,需要做好氫氣濃度的實時監(jiān)測與遠(yuǎn)程報警工作。

        2.2 勻速工況

        當(dāng)車輛以15.9 km/h行駛時,設(shè)氫氣瓶艙前的進(jìn)風(fēng)口以15.9 km/h沿X負(fù)方向進(jìn)風(fēng),可以得到此時氫氣泄漏的擴(kuò)散情況。

        圖6為勻速工況下氫氣瓶艙內(nèi)各特征面上氫氣濃度(4%~75%)的分布圖。由圖6可知,由于進(jìn)風(fēng)口的氣流加強(qiáng)了氫氣瓶艙內(nèi)氫氣的擴(kuò)散,氫氣在泄漏擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,只有泄漏口附近氫氣濃度仍保持在50%以上,其他部分的氫氣濃度均有大幅度降低。其中氫氣瓶艙內(nèi)靠近泄漏口一側(cè)的氫氣濃度大約保持在30%以下,而氫氣瓶艙內(nèi)遠(yuǎn)離泄漏口約3/4的區(qū)域氫氣濃度已經(jīng)下降到4%以下,低于氫氣的爆炸濃度,沒有被點燃的危險。

        圖6 行駛工況下氫氣濃度分布云圖

        由圖5和圖6可知,無論車輛處于靜止還是勻速行駛狀態(tài),氫氣瓶艙內(nèi)氫氣濃度最高的區(qū)域均為圖7所示監(jiān)測線附近的區(qū)域,因此,可在該位置設(shè)置氫安全監(jiān)測點。靜止與勻速工況下,監(jiān)測線上的氫氣濃度分布如圖8所示。

        圖7 氫氣濃度監(jiān)測點示意圖

        圖8 不同工況監(jiān)測線氫氣濃度分布

        對比發(fā)現(xiàn),通風(fēng)情況下監(jiān)測線上的氫氣濃度較靜止時平均下降約20%,且隨著與泄漏口距離的增大,氫氣濃度的下降更為明顯。由上述分析可知,當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)時,由氫氣瓶艙進(jìn)氣口進(jìn)入的空氣對氫氣瓶艙內(nèi)泄漏氫氣的擴(kuò)散可以起到很大的促進(jìn)作用,使氫氣瓶艙內(nèi)大部分區(qū)域的氫氣濃度下降到爆炸水平之下,大大降低了氫氣泄漏后產(chǎn)生爆燃的可能性。但是氫氣泄漏口一側(cè)仍有一定區(qū)域的氫氣濃度在可燃范圍之內(nèi)。

        3 勻速工況下進(jìn)氣角度對氫氣擴(kuò)散的影響

        根據(jù)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入氫氣瓶艙的空氣跡線圖(圖9)可知,當(dāng)進(jìn)風(fēng)口沿X負(fù)方向進(jìn)風(fēng)時,新進(jìn)入的空氣只有很少部分可到達(dá)氫氣瓶艙兩側(cè)的區(qū)域,很難對泄漏源處的擴(kuò)散情況產(chǎn)生直接影響,而這部分區(qū)域正是氫氣最容易發(fā)生聚集的區(qū)域,因此氫氣瓶艙的進(jìn)風(fēng)口存在一定的改進(jìn)空間。

        圖9 進(jìn)風(fēng)口空氣流動跡線圖

        為改進(jìn)氫氣瓶艙的通風(fēng)效果,在氫氣瓶艙進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置不同進(jìn)氣角度(0°~60°,進(jìn)氣格柵角度過大會影響進(jìn)氣效率)的進(jìn)氣格柵,如圖10所示,對進(jìn)入氫氣瓶艙的氣流進(jìn)行導(dǎo)流。經(jīng)過數(shù)值模擬,得到進(jìn)氣格柵進(jìn)氣角度α為15°、30°、45°、60°時氫氣泄漏后氫氣瓶艙內(nèi)的氫氣濃度分布情況。

        圖10 氫氣瓶艙進(jìn)氣格柵示意圖

        在圖7相同位置設(shè)置若干監(jiān)測點,對不同進(jìn)氣角度下監(jiān)測線上的氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測,得到不同進(jìn)氣角度下監(jiān)測線上氫氣濃度分布情況如圖11所示。

        圖11 不同進(jìn)氣角度監(jiān)測線氫氣濃度分布

        從圖11可知,監(jiān)測線上的氫氣濃度隨著與泄漏口距離的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢。加裝進(jìn)氣格柵后,各個進(jìn)氣角度下,監(jiān)測線上的氫氣濃度均低于30%。其中,采用30°進(jìn)氣格柵時,監(jiān)測線上的氫氣濃度最高約為15%,且當(dāng)與泄漏口的距離超過0.7 m后,氫氣濃度下降至接近于4%的氫氣爆炸極限,氫氣擴(kuò)散情況最好。綜上考慮,當(dāng)進(jìn)氣格柵角度為30°時,氫氣瓶艙內(nèi)氫氣的可燃區(qū)域體積處于理論最低狀態(tài),發(fā)生爆燃的概率最低。

        在氫氣瓶艙4個頂角以及分析中設(shè)置的監(jiān)測線處布置若干氫氣濃度傳感器,可以對氫氣瓶艙內(nèi)的氫氣濃度形成有效的監(jiān)控。同時,在通風(fēng)口采用30°進(jìn)氣格柵,可以有效提高氫氣擴(kuò)散效率,提高該燃料電池客車的氫安全性。

        4 結(jié)論

        氫氣瓶艙頂部邊角處是氫氣擴(kuò)散后易形成高濃度聚集的區(qū)域,可以適當(dāng)在易發(fā)生氫氣泄漏的瓶口兩側(cè)頂部邊角處布置氫氣監(jiān)測傳感器,對氫氣瓶艙內(nèi)的氫氣濃度進(jìn)行預(yù)警。

        當(dāng)車輛正常行駛時,氫氣瓶艙的通風(fēng)系統(tǒng)會大幅度促進(jìn)氫氣泄漏后的擴(kuò)散情況,使氫氣瓶艙內(nèi)大部分區(qū)域的氫氣濃度都低于爆炸極限。同時,選擇合適的通風(fēng)口進(jìn)氣角度,可以進(jìn)一步提高氫氣的擴(kuò)散效率,提高燃料電池客車的行車安全。

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