何春輝 鄒宏偉 成志鋼

（1.江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司 張家港 215600）

（2.張家港氫云新能源研究院有限公司 張家港 215600）

目前,壓縮氫是汽車行業(yè)選擇的用于氫動(dòng)力汽車車載存儲(chǔ)的技術(shù),例如燃料電池汽車,這些汽車已經(jīng)上市。由于加燃料過(guò)程中壓力的大幅增加,油箱內(nèi)的氣體溫度升高,并且由于熱傳遞,容器材料的溫度也升高。在罐排空時(shí),氣體和材料的溫度都會(huì)由于氣體膨脹而降低。在這2種情況下,溫度都可能超出233～358 K[1]的設(shè)計(jì)溫度范圍,過(guò)高或過(guò)低的溫度可能會(huì)影響氣瓶的機(jī)械性能。在灌裝過(guò)程中使用氣體預(yù)冷將整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的溫度保持在358 K的閾值以下。然而,氣體預(yù)冷會(huì)導(dǎo)致加氣站的資本和運(yùn)營(yíng)成本增加。

目前,有2種類型的氣缸用作氫動(dòng)力汽車的車載存儲(chǔ)：III型和IV型。2個(gè)氣缸的結(jié)構(gòu)由1個(gè)外部層壓板組成,外部層壓板由碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)制成,以提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和一個(gè)內(nèi)襯,其主要目的是防止泄漏。Ⅲ型瓶的內(nèi)膽由鋁組成,而Ⅳ型瓶主要是由塑料組成,塑料雖然密度較低,但是熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)低于鋁,加注溫升時(shí)最高溫度較Ⅲ型瓶更高。

目前,國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)限定,中國(guó)大陸地區(qū)仍只允許使用 Ⅲ 型氣瓶（鋁合金內(nèi)襯）：Ⅲ型氣瓶與國(guó)外較通行的Ⅳ型氣瓶（高密度聚乙烯內(nèi)襯）相比,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,能較好地規(guī)避泄漏、復(fù)合包覆材料分層等問(wèn)題[2,3]。為提供舒適的用戶體驗(yàn),氫燃料電池車的加氫操作時(shí)間應(yīng)與燃油車的加油操作時(shí)間相當(dāng)。在限定氣瓶水容積、限定加注時(shí)間的條件下：氫氣被壓縮至高工作壓力[4]、氫氣的負(fù)焦-湯效應(yīng)[5]、高速氫氣入射流的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能[6]等多重要素都使得儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生較高的溫升,而過(guò)高的溫度會(huì)誘發(fā)環(huán)氧樹(shù)脂剝離、碳纖維失效[7]；與此同時(shí),氫氣的密度將隨著溫度的上升而下降,這也可能造成儲(chǔ)氫氣瓶的欠充裝狀態(tài)[8]。所以,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)快充溫升,并給定可靠的加注策略是保障車載高壓氫安全與效能的重要課題。

此前,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已從多個(gè)角度關(guān)注氫氣的加注參數(shù)（如質(zhì)量流量、升壓方式及初始?jí)毫Φ龋?duì)氣瓶快充溫升的影響,并得到了一些重要結(jié)論。Zhao L等人呈現(xiàn)了不同質(zhì)量流量、初始?jí)毫?、環(huán)境溫度條件下35 MPa快充過(guò)程中的Ⅲ型儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)的溫升及其分布情況,研究表明：Ⅲ型儲(chǔ)氫氣瓶的最高溫升分布在瓶尾區(qū),且最大溫升隨質(zhì)量流量的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)；最大溫升隨初始?jí)毫Φ纳仙€性下降,但環(huán)境溫度對(duì)最大溫升的影響程度不大；還基于5 min的加注過(guò)程給定了溫升預(yù)測(cè)公式［9]。Hosseini等人[10]基于能量分析研究了初始條件對(duì)溫升的影響,發(fā)現(xiàn)初始?jí)毫υ礁?最終溫升越小。Yang等人[11]利用絕熱和等溫條件下的理想氣體和真實(shí)氣體對(duì)氫氣的快速填充進(jìn)行了模型分析,結(jié)果表明,絕熱和等溫條件下的填充時(shí)間是給定最終目標(biāo)壓力的下限和上限。Wang等人[12]建立了基于能量方程的熱力學(xué)模型,可以分析得到填充物的質(zhì)量和填充后的最終溫度。Monde等人[13]開(kāi)發(fā)了一個(gè)理論模型來(lái)研究傳熱系數(shù)對(duì)最終溫度的影響,結(jié)果表明,采用適當(dāng)?shù)暮愣▊鳠嵯禂?shù)計(jì)算最終溫度是可行的。Zhao等人[14]建立了二維軸對(duì)稱模型,并通過(guò)該模型研究快速充氣過(guò)程中增壓模式和增壓氫罐溫升率的影響。

綜上,以前分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然眾多,但高壓瓶尺寸并不統(tǒng)一,很多國(guó)內(nèi)瓶子尺寸的加注特性并不完全一致。本文以國(guó)富氫能自主開(kāi)發(fā)的60 L車載IV瓶為研究對(duì)象,針對(duì)加注初期快速溫升,隨后溫度增加速度大大放緩的規(guī)律,進(jìn)行了變溫度加注與變流量加注,并對(duì)比不同工況下瓶?jī)?nèi)壓力變化規(guī)律,瓶?jī)?nèi)、塑料層與碳纖維層的溫度變化以及對(duì)充裝率的影響,其分析結(jié)果對(duì)后期瓶子快速加注策略具有一定參考意義。

1 模型處理

1.1 幾何與熱力學(xué)模型

導(dǎo)致充氣過(guò)程中氣體溫度的升高有3個(gè)主要原因。首先,氫氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)為負(fù)值,這不同于甲烷等其他氣體。在充氣時(shí),氫氣通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)會(huì)導(dǎo)致溫度升高,這也被稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)。其次,充氣過(guò)程管道內(nèi)高速氫氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成瓶?jī)?nèi)氣體的內(nèi)能,導(dǎo)致溫度升高。最后,氫氣瓶?jī)?nèi)氫氣受壓縮做功,導(dǎo)致溫度升高。同時(shí),一部分熱量經(jīng)過(guò)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),導(dǎo)致氣體溫度下降。

氣瓶?jī)?nèi)的氫氣和周圍環(huán)境的熱交換可分為3個(gè)部分,即瓶?jī)?nèi)的高壓氫氣和氣瓶?jī)?nèi)壁面之間的對(duì)流傳熱、沿瓶壁壁厚方向的熱傳導(dǎo)、氣瓶外壁面和環(huán)境空氣的對(duì)流傳熱。

IV型瓶?jī)?nèi)膽由塑料組成,外圍由碳纖維（CF）和玻璃纖維組成（GF）,瓶口與瓶尾由鋁材組成堵頭。相關(guān)試驗(yàn)與分析數(shù)據(jù)表明,在整個(gè)快速加注過(guò)程中,GF所吸收的熱量?jī)H為總熱量的2%左右[15],為了簡(jiǎn)化模型,本案例只分析塑料層與CF層。IV型瓶的主要尺寸及各組成材料屬性見(jiàn)表1、表2,模型如圖1所示。

表1 IV 型瓶主要尺寸 mm

表2 IV型瓶材料屬性

圖1 35 MPa IV 型瓶（60 L）模型

1.2 網(wǎng)格劃分

利用SCDM軟件建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于氣瓶是旋轉(zhuǎn)體,為簡(jiǎn)化分析計(jì)算,取1/4模型為研究對(duì)象；5層邊界層保證交界面精準(zhǔn)熱量傳遞,入口處速度較高,采用局部細(xì)化,保證精準(zhǔn)捕捉充注的實(shí)時(shí)狀態(tài),其網(wǎng)格如圖2所示,總網(wǎng)格數(shù)量為320萬(wàn)。

圖2 1/4氣瓶及進(jìn)口區(qū)域網(wǎng)格

1.3 邊界與初始條件

IV型瓶快速加注的初始和邊界條件見(jiàn)表3。假設(shè)充氣前氣瓶的初始溫度和環(huán)境溫度都為293 K,氣瓶初始?jí)毫皖~定壓力分別設(shè)定為 2 MPa和35 MPa,介質(zhì)采用NIST真實(shí)氣體模型,假定堵頭與CF都是絕熱邊界。

表3 工況條件

進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.03 s,單個(gè)時(shí)間步最大迭代次數(shù)20次。當(dāng)氣瓶壓力達(dá)到額定壓力35 MPa時(shí),停止仿真計(jì)算。

2 CFD仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 壓力變化曲線

加注過(guò)程中,隨時(shí)監(jiān)控氣瓶?jī)?nèi)的壓力變化,圖3所示是不同工況加注過(guò)程中壓力變化曲線,從圖3中可知：

圖3 加注過(guò)程氣瓶壓力曲線

1）工況1（恒溫度恒流量）仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本保持一致,在恒定流量與溫度下,壓力除開(kāi)始段外基本趨于線性增加,在6 g/s、253 K加注條件下,110 s后壓力達(dá)到35 MPa,加注完成；

2）工況2（恒流量變溫度）由于流量較大,故壓力上升速度較快,30 s后加注溫度升高,壓力增長(zhǎng)斜率略大于低溫加注增長(zhǎng)斜率,在79 s左右即達(dá)到額定壓力35 MPa,明顯減少了加注時(shí)間；

3）工況 3（變溫度變流量）在變溫后保持較小流量,其壓力上升趨勢(shì)較工況1也較小,原因是瓶?jī)?nèi)的溫度較低,從而延長(zhǎng)了加注時(shí)間,總加注時(shí)間約為112 s。

2.2 平均溫度變化曲線

加注過(guò)程中,氣瓶?jī)?nèi)的溫度是限制加注時(shí)間的重要因素,時(shí)刻監(jiān)控氣瓶?jī)?nèi)與各層的溫度變化,對(duì)后期加注策略的優(yōu)化具有重要作用,其結(jié)果如圖4所示,從圖4中可知：

圖4 加注過(guò)程氣瓶與各層平均溫度曲線

1）工況1氣瓶?jī)?nèi)的平均溫度變化與試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持較好的一致性,最大溫差控制在5 K以內(nèi),誤差可能來(lái)源于實(shí)驗(yàn)中傳感器布置在靠近進(jìn)口位置,且進(jìn)口氣體溫度較低；加上忽略了最外層GF與環(huán)境的對(duì)流換熱,所以仿真中的數(shù)據(jù)略大于試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

2）3種工況下對(duì)CF層的溫度變化基本可以忽略不計(jì),因?yàn)榧幼r(shí)間太短,傳遞到CF層的熱量有限；

3）3種加注工況對(duì)塑料層的最終溫度差異僅為2 K左右,影響有限；

4）低溫加注可以明顯降低前期溫度上升速度,也再次證明了預(yù)冷加注的重要性。30 s后提高加注溫度,氣瓶?jī)?nèi)溫度上升速率迅速激增,工況2加注78 s后壓力達(dá)到額定值,其對(duì)應(yīng)溫度已經(jīng)達(dá)到約358 K,但充裝率降低了5.7%；

5）工況3變溫度變流量加注充分利用了加注初期溫度上升較快的規(guī)律,將初始加注的預(yù)冷溫度調(diào)整為233 K,此時(shí)溫升較低,加注一段時(shí)間后（30 s)提升加注溫度為293 K,由于瓶?jī)?nèi)總體溫度較低,且加注后期的溫升斜率明顯降低,達(dá)到額定壓力35 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的加注時(shí)間和工況1（恒溫度恒流量）相比沒(méi)有降低,但是充裝率提高了9.1%。

2.3 溫度云圖

相關(guān)分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告表明,不同長(zhǎng)徑比模型在加注過(guò)程中的流場(chǎng)分布是不同的,圖5～圖7分別是加注過(guò)程中加注開(kāi)始階段（4 s)、加注中途階段（50 s)以及加注完成時(shí)瓶?jī)?nèi)、塑料層與CF層的溫度分布圖。從圖中可知：

圖5 加注過(guò)程溫度分布圖（4 s)

圖6 加注過(guò)程溫度分布圖（50 s)

圖7 加注完成溫度分布圖

1）加注初期（4 s),工況1瓶?jī)?nèi)的溫度已經(jīng)由初始的293 K明顯上升,大部分瓶?jī)?nèi)溫度在315 K左右,但瓶口上方形成明顯的局部氣流漩渦,該漩渦形成了相對(duì)高溫區(qū)；靠近瓶口的溫度較低,基本保持與進(jìn)口溫度相等,隨著沿中心流動(dòng),其溫度不斷提高,在中心區(qū)域形成了明顯的溫度分層；由于加注時(shí)間較短,塑料層與CF層溫度基本保持不變。工況2加注初期其溫度變化趨勢(shì)與工況1基本保持相同,由于加注預(yù)冷溫度更低,導(dǎo)致其瓶?jī)?nèi)溫度也較低；

2）加注中期（50 s),不同工況下的溫度分布已經(jīng)有明顯區(qū)別：工況1恒溫恒流加注,其加注50 s后瓶?jī)?nèi)最高溫度為362 K,瓶口上方的高溫區(qū)相對(duì)較??；工況2變溫加注后,溫度處于快速上升期,加注50 s后其對(duì)應(yīng)最高溫度為353 K,瓶口上方的高溫區(qū)相對(duì)較大；工況3處于工況1與工況2之間,30 s后雖提高了加注溫度,但加注流量有所降低,結(jié)果是溫度上升曲線變緩,加注50 s后溫度僅為344 K,瓶口相對(duì)高溫區(qū)也較大；3種工況在加注50 s后,塑料層和CF層的溫度已經(jīng)逐步提高；

3）加注結(jié)束時(shí)其溫度分布規(guī)律與加注中期基本保持一致,僅僅是溫度數(shù)值上有所上升。加注完成后,其工況1～工況3的最高溫度分別為379 K、371 K、373 K；塑料層與CF層的溫度差別較小。

3 結(jié)論

本研究以60 L IV型35 MPa車載瓶為研究對(duì)象,結(jié)合以往恒流恒溫加注試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CFD仿真可靠性后,以加注預(yù)冷溫度和加注流量為變量對(duì)其快速加注進(jìn)行仿真分析,仿真過(guò)程中時(shí)刻監(jiān)控瓶?jī)?nèi)的壓力變化與各層的溫度變化趨勢(shì),其結(jié)果表明：

1）恒流加注時(shí),瓶?jī)?nèi)的壓力變化接近于線性增加,低溫加注時(shí)壓力上升速率較低；

2）低溫加注可有效縮短加注時(shí)間,但是對(duì)充裝率具有一定影響,工況2相對(duì)工況1加注時(shí)間縮短了32 s,充裝率降低了5.7%；

3）低溫加注結(jié)合變流量加注（工況3）,可以在加注時(shí)間與最終溫升保持相同情況下,相對(duì)工況1充裝率提高了9.1%；

4）加注過(guò)程中,塑料層與CF層的溫度變化線性增加,但由于加注時(shí)間較短,不同的加注策略對(duì)塑料層與CF層的溫度變化影響較小,3種工況下的塑料層最大溫升控制在30 K以內(nèi)；

5）綜上分析,低溫加注+變流量加注是有效縮短加注時(shí)間或提高充裝率的有效手段。