摘 要 采用70MPa車載高壓儲氫是保證燃料電池汽車續(xù)駛里程的有效方法。但對70MPa儲氫瓶，其在向燃料電池供氫時會因氣體膨脹而產(chǎn)生顯著的放氫溫降。而一旦該溫度低于高壓儲氫瓶的-40℃安全溫度下限，便很可能導(dǎo)致儲氫瓶密封元件失效和塑料內(nèi)襯玻璃化等安全問題，導(dǎo)致氫氣泄漏事故。為此，急需開發(fā)能用于放氫問題研究的數(shù)值模型。本文對已有的高壓儲氫瓶放氫問題數(shù)值模型進行了系統(tǒng)的總結(jié)和回顧，指明了高壓儲氫瓶放氫問題數(shù)值模型的未來研究方向。

關(guān)鍵詞 高壓儲氫瓶;放氫;集總參數(shù);計算流體動力學(xué);模型

引言

氫能具有清潔無污染、可利用可再生能源制取、原料來源廣泛、氫燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高突出等優(yōu)點，對解決“能源短缺”和“環(huán)境污染”兩大世界性難題具有重要意義，被譽為21世紀的能源[1]。近年來，隨著氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫燃料電池汽車以其綠色環(huán)保、加注燃料快捷、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點引起了世界各國的高度重視[2]。目前，在氫燃料電池汽車的各種車載儲氫方式中，高壓儲氫以其質(zhì)量儲氫密度高、制備能耗明顯低于液氫、結(jié)構(gòu)形式簡單、充放氫便捷等優(yōu)點，成為當(dāng)前最為普遍的車載儲氫方式[3]。

為了達到商業(yè)化要求的車輛續(xù)駛里程，采用70MPa車載高壓儲氫已成為一種趨勢[4]。車載高壓儲氫瓶主要由內(nèi)層的鋁合金/塑料內(nèi)襯、外部的碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料增強層組成。高壓儲氫瓶由于儲氫壓力高、復(fù)合材料層熱導(dǎo)率低等特點，在向燃料電池供氫時其內(nèi)部氫氣會由于不斷地對外膨脹做功而產(chǎn)生顯著的溫降[5]。而一旦高壓儲氫瓶內(nèi)部溫度低于-40℃安全溫度下限[6]，便很可能由于溫度過低導(dǎo)致瓶口密封元件失效[7]，或達到塑料內(nèi)襯材料的玻璃化溫度而使得塑料內(nèi)襯材料脆化[8]，從而引發(fā)氫氣泄漏等嚴重的安全事故，嚴重制約和影響了氫燃料電池汽車的安全使用。因此，美國汽車協(xié)會在其制定的氫能源汽車加注標(biāo)準SAE J2601中明確規(guī)定高壓儲氫瓶在使用過程中的實際溫度不得低于-40℃[9]。為確保氫燃料電池汽車在低溫環(huán)境下的安全使用，急需圍繞高壓儲氫瓶放氫過程的熱物理學(xué)特性和有效的溫降抑制方法展開研究。

高壓儲氫瓶放氫問題屬于實際氣體放氣問題。針對該類問題，已有的研究主要圍繞氣瓶內(nèi)壁面對流傳熱系數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式、放氣過程的集總參數(shù)模型、放氣過程的CFD模型、放氣過程氣瓶內(nèi)部的溫度分布特性等展開研究。本文將從以上幾個方面進行綜述，通過分析指明高壓儲氫瓶放氫問題未來的研究方向。

1研究進展綜述

1.1 集總參數(shù)模型

集總參數(shù)模型假設(shè)氣瓶內(nèi)部氣體的溫度、壓力等熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)均一，通過對流傳熱關(guān)聯(lián)式描述氣體與壁面之間的傳熱速率，用于在實際工程應(yīng)用中快速計算瓶內(nèi)的壓力和平均溫度。該類模型以其計算效率高的優(yōu)點引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Clark（1983）等多位學(xué)者針對高壓氮氣和高壓氦氣瓶快速放氣過程的集總參數(shù)模型進行了研究：其假設(shè)容器快速放氣時內(nèi)壁面溫度來不及變化而保持恒定，采用自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式描述內(nèi)壁面對流傳熱系數(shù)，建立了容器快速放氣過程的集總參數(shù)模型[10-13]。Xia（1993）和Zhou（1997）等基于氣瓶內(nèi)壁面對流傳熱系數(shù)為常數(shù)的假設(shè)構(gòu)建了理想氣體放氣問題的集總參數(shù)模型，并分析了對流傳熱系數(shù)的取值對計算所得瓶內(nèi)壓力和溫度的影響[14-15]。Rothuizen（2013）和郭進興等（2014）考慮了針對高壓儲氫瓶放氫問題，綜合考慮了瓶內(nèi)氫氣與內(nèi)壁面之間的自然對流傳熱、瓶壁內(nèi)部的徑向熱傳導(dǎo)、氣瓶外壁面與外部環(huán)境之間的自然對流傳熱，分別采用Daney[16]提出的自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式和常數(shù)描述內(nèi)、外壁面對流傳熱系數(shù)，采用徑向與軸向熱導(dǎo)率的合成值描述碳纖維-樹脂復(fù)合材料增強層的各向?qū)?，建立了高壓儲氫氣瓶放氫過程的集總參數(shù)模型[17，18]。Gao等（2015）針對高壓氣動元件，考慮到其內(nèi)部流速明顯高于氣瓶內(nèi)部而需要考慮強制對流對傳熱的影響，采用同時考慮自然對流與強制對流的混合對流傳熱關(guān)聯(lián)式描述高壓氣動元件內(nèi)壁面的傳熱，同時考慮放氣過程很快而假設(shè)放氣過程中氣動元件壁溫維持恒定，建立了高壓氣動元件放氣過程的集總參數(shù)模型[19]。Sakoda等（2016）基于其實驗測得的對流傳熱系數(shù)與時間的函數(shù)關(guān)系，建立了100MPa / 1L高壓儲氫氣瓶放氫過程的熱力學(xué)模型[20]。由于以上考慮放氣過程中瓶壁傳熱的集總參數(shù)模型中均假設(shè)氣瓶外壁面的對流傳熱系數(shù)為常數(shù)，無法反映外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨溫差變化的自然對流本質(zhì)，因而在模擬長時間輸氫時會產(chǎn)生較大偏差。為克服以上不足，趙磊等（2016）在高壓儲氫瓶放氫過程的集總參數(shù)模型中進一步考慮了外壁面的真實自然對流特性[21]。通過以上對高壓氣體放氣過程集總參數(shù)模型的研究，目前已經(jīng)能夠?qū)馄靠焖俸吐俜艢鈫栴}本身進行有效的描述。然而，目前尚缺少考慮強化傳熱手段或裝置的放氣過程集總參數(shù)模型，因而難以對高壓儲氫瓶放氫過程中的溫降抑制方法進行有效的研究。

1.2 計算流體動力學(xué)模型

為掌握放氣過程中高壓氣瓶內(nèi)部的溫度分布特性，一些學(xué)者對放氣問題的計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）模型進行了研究。楊麗紅等（2007）針對內(nèi)部填充金屬絲的不銹鋼容器，基于恒壁溫與旋轉(zhuǎn)軸對稱假設(shè)，結(jié)合多孔介質(zhì)模型、標(biāo)準k-ε湍流模型與標(biāo)準壁面函數(shù)建立了其放氣過程的CFD模型[22]。丁風(fēng)雷等（2014）針對潛水艇用氦氣瓶的放氣過程，基于恒壁溫與理想氣體假設(shè)，采用標(biāo)準k-ε湍流模型與標(biāo)準壁面函數(shù)構(gòu)建了其三維CFD模型[23]，并對放氣時的總體流量特性進行了分析。Gao等（2015）基于恒壁溫與旋轉(zhuǎn)軸對稱假設(shè)采用RNG k-ε湍流模型與標(biāo)準壁面函數(shù)建立了氣動元件放氣問題的CFD模型[24]，并對元件內(nèi)部的速度場進行了分析。Melideo等（2016）針對高壓儲氫瓶放氫過程，采用軸向與徑向熱導(dǎo)率的合成值計算復(fù)合材料各向?qū)幔僭O(shè)氣瓶外壁面對流傳熱系數(shù)為常數(shù)，基于k-ε湍流模型的射流修正模型和標(biāo)準壁面函數(shù)建立了高壓儲氫瓶放氫過程的三維CFD模型;該模型在放氣前期與實驗吻合較好，隨著放氣的進行模型與實驗結(jié)果間的差值呈逐漸增大的趨勢[25]。綜上可以看出，以上放氣過程的CFD模型均采用標(biāo)準壁面函數(shù)，然而標(biāo)準壁面函數(shù)無法正確描述自然對流、沖擊射流等復(fù)雜流動的邊界層特性，在描述自然對流傳熱問題時會產(chǎn)生明顯的失真，且現(xiàn)有的CFD模型均未考慮外部空氣的真實自然對流特性，因此，難以正確描述高壓儲氫瓶放氫過程中的流動與傳熱。由于高壓儲氫瓶放氫過程本身問題復(fù)雜、過程較長，采用近壁區(qū)直接建模的方式會導(dǎo)致計算成本過高，因此，目前尚需采用能夠描述自然對流等復(fù)雜流動問題的壁面函數(shù)構(gòu)建CFD模型;同時外壁面對流傳熱系數(shù)可考慮采用自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式，以便在可接受的計算成本內(nèi)對問題進行正確描述。

3結(jié)束語

本文針對高壓放氫問題數(shù)值模型，從集總參數(shù)模型和CFD模型兩個方面進行了研究進展的綜述。通過比較分析，得到以下結(jié)論：

（1）目前的高壓儲氫瓶放氫問題集總參數(shù)模型中缺乏對于傳熱強化方式的建模，為能夠有效抑制放氫溫降，后續(xù)的集總參數(shù)模型可進一步考慮傳熱強化方式或元件的建模。

（2）目前的高壓儲氫瓶放氫問題CFD模型中均采用標(biāo)準壁面函數(shù)，且尚未考慮氣瓶外壁面對流傳熱系數(shù)隨溫差改變而不斷變化的真實自然對流特性，難以正確描述氣瓶內(nèi)、外壁面自然對流邊界層的傳熱，未來可考慮采用能適應(yīng)復(fù)雜流動問題的壁面函數(shù)描述氣瓶內(nèi)壁面近壁區(qū)，采用自然對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式描述外壁面的對流傳熱系數(shù)，從而正確地反映高壓儲氫瓶放氫問題的耦合自然對流傳熱特性。

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作者簡介

趙磊（1985-），男，北京人;職稱：講師，現(xiàn)就職單位：北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院，研究方向：氫儲運與氫安全。