一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、建立大型流体换热式固态储氢容器的结构模型；步骤2、对所述固态储氢容器放氢过程的参数进行设定；步骤3、对步骤1的所述结构模型划分网格；步骤4、建立所述固态储氢容器放氢过程的数学模型；步骤5、对所述固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算；步骤6、获得计算结果。本发明专利技术提供可以动态地反映换热流体流经储氢材料床体后的温度变化情况，实现流体温度与储氢材料床体温度、反应分数的全耦合建模，大幅减少计算时间，降低计算成本，提高设计效率。提高设计效率。提高设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法


[0001]本专利技术涉及固态储氢
，尤其涉及一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法。

技术介绍

[0002]固态储氢技术是通过容器内固态储氢材料与氢气进行反应而实现的氢气存储方式，但是反应引起的反应热会导致容器内部温度场不均匀，从而导致放氢反应的减慢甚至停止。目前，解决该问题的有效方法之一是在容器内部铺设换热流体管道，从而对容器内部的温度场进行调控。使用数学模型对容器内部材料的温度场、反应分数分布场以及流体管道的温度场进行仿真计算是进行储氢容器内流体管道设计的有效手段之一。
[0003]目前，对小型流体换热式固态储氢容器的放氢过程仿真分析研究较多，现有技术中对流体换热式储氢容器的建模主要分为两种方式，一种是忽略流体部分，通过换热系数表示流体与储氢容器的热交换；另一种是直接对流体部分进行完整的建模，通过完整计算流体的流动过程，进一步计算流体与储氢容器的热交换。
[0004]然而，对于大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的数值模型仿真方法尚不多见。上述两种方法中，第一种方法无法计算储氢容器对流体的温度影响，但是在大型流体换热式固态储氢容器中，流体温度会产生较大的变化，因此这种方法无法精确描述流体温度变化的影响；第二种方法由于流体流动模型的引入，带来了巨大的计算量，因而难以拓展到大型流体换热式固态储氢容器放氢过程。大型流体换热设备中换热管数量较多，三维流体的传热传质计算成本过高，与固态储氢容器内部材料力学和动力学方程耦合模型的建模计算量巨大，难以建立有效的数学模型来反映固态储氢容器中的材料变化情况以及流体温度的变化情况等。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于提供一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的简化模型仿真方法，实现大型流体式固态储氢容器的仿真模型建立和优化分析，为大型流体式固态储氢容器的热管理手段设计提供依据。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术上的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种对大型流体换热式固态储氢容器放氢过程进行简化的仿真方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，所述仿真方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、建立大型流体换热式固态储氢容器的结构模型；
[0009]步骤2、对所述固态储氢容器放氢过程的参数进行设定；
[0010]步骤3、对步骤1的所述结构模型划分网格；
[0011]步骤4、建立所述固态储氢容器放氢过程的数学模型；
[0012]步骤5、对所述固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算；
[0013]本步骤基于步骤4中的数学模型，采用有限元或有限差分方法对大型流体换热式固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算。
[0014]步骤6、获得计算结果。
[0015]进一步地，所述步骤1的结构模型包括：储氢容器壳体、固态储氢材料床体的三维结构模型，换热流体管道的一维结构模型。
[0016]进一步地，所述步骤2的参数包括：所述固态储氢材料床体、所述储氢容器壳体、所述换热流体的初始温度，所述固态储氢容器内的初始压强，所述固态储氢材料的初始反应分数、含氢量，所述储氢容器壳体、固态储氢材料、氢气的物化性质，所述换热流体入口温度、流体流速、流体压强，氢气出口压强，孔隙率。
[0017]在步骤3中，先对换热流体管道先用一维的网格进行剖分，然后根据一维网格的尺寸对三维的固态储氢容器壳体及固态储氢材料床体部分进行剖分。
[0018]进一步地，所述步骤4的数学模型中，将所述换热流体管道中的流体传热和流动过程简化为一维非等温管道流，并将一维非等温管道流的能量守恒方程与所述储氢容器壳体和所述固态储氢材料床体的能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程、放氢反应的热力学方程、动力学方程进行耦合。
[0019]进一步地，使用内部膜阻近似流体边界层对温度传递的影响，简化所述换热流体管道内流体流动的建模。
[0020]本过程是基于Thermal Film Model理论。
[0021]进一步地，所述一维非等温管道流的能量守恒方程为：
[0022][0023]式中，ρ是流体密度，A是流体管路横截面面积，C
p
是流体热容，T是温度，是流场矢量，k是流体热导率，Q是内热源，f
D
为摩擦因子，d
h
为水力直径，以上参数针对所述换热流体管道；Q
wall
是流体通过所述换热流体管道壁与所述固态储氢材料床体的热量交换。
[0024]进一步地，流体通过所述换热流体管道壁与所述固态储氢材料床体的热量交换计算方式为：
[0025]Q
wall
＝(hZ)
eff
(T
ext
‑
T)
[0026]式中，(hZ)
eff
是有效换热系数，T
ext
是通过所述储氢容器的三维能量守恒方程得到的所述换热流体管道外壁温度。
[0027]进一步地，所述有效换热系数的计算方式为：
[0028][0029]式中，r0h
int
表示所述换热流体管道内流体边界层对流体换热的影响，r0表示所述换热流体管道内径，r1表示所述换热流体管道外径，k1表示所述换热流体管道材料热导率，h
int
＝Nu*k/d
h
，Nu为流体努塞尔数。
[0030]进一步地，所述固态储氢材料放氢反应的动力学方程为：
[0031][0032]式中，k0是反应速率常数，E
d
为激活能，T为温度，P
H2
为氢气气压，P
eq,d
为平衡气压，n
为与反应类型有关的常数，α为反应转变分数，R为理想气体常数。
[0033]进一步地，所述固态储氢材料放氢反应的热力学方程为：
[0034][0035]式中，ΔS是放氢反应熵变，ΔH是放氢反应焓变，P
eq
是平衡压强，P
ref
＝0.1MPa。
[0036]本专利技术至少具有如下有益技术效果：
[0037]1、本专利技术提供的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，使用一维非等温管道流进行换热流体的数值计算，并将其与固态储氢容器的三维能量守恒方程以及化学反应热力学方程、动力学方程进行耦合，建立有效的数学模型来反映固态储氢容器中的材料反应分数变化情况以及流体温度的变化情况。
[0038]2、本专利技术提供的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，通过引入一维管道流计算换热流体与储氢床体的热量交换，一方面，可以动态地反映换热流体流经储氢材料床体后的温度变化情况，另一方面，可以实现流体温度与储氢材料床体温度、反应分数的全耦合建模。一维管道流的引入大幅减少计算时间，降低计算成本，提高设计效率。
[0039]3、本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括以下步骤：步骤1、建立大型流体换热式固态储氢容器的结构模型；步骤2、对所述固态储氢容器放氢过程的参数进行设定；步骤3、对步骤1的所述结构模型划分网格；步骤4、建立所述固态储氢容器放氢过程的数学模型；步骤5、对所述固态储氢容器放氢过程进行瞬态计算；步骤6、获得计算结果。2.如权利要求1所述的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤1的结构模型包括：储氢容器壳体、固态储氢材料床体的三维结构模型，换热流体管道的一维结构模型。3.如权利要求2所述的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤2的参数包括：所述固态储氢材料床体、所述储氢容器壳体、所述换热流体的初始温度，所述固态储氢容器内的初始压强，所述固态储氢材料的初始反应分数、含氢量，所述储氢容器壳体、固态储氢材料、氢气的物化性质，所述换热流体入口温度、流体流速、流体压强，氢气出口压强，孔隙率。4.如权利要求3所述的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤4的数学模型中，将所述换热流体管道中的流体传热和流动过程简化为一维非等温管道流，并将一维非等温管道流的能量守恒方程与所述储氢容器壳体和所述固态储氢材料床体的能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程、放氢反应的热力学方程、动力学方程进行耦合。5.如权利要求4所述的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，其特征在于，使用内部膜阻近似流体边界层对温度传递的影响，简化所述换热流体管道内流体流动的建模。6.如权利要求5所述的大型流体换热式固态储氢容器放氢过程的仿真方法，其特征在于，所述一维非等温管道流的能量守恒方程为：式中，ρ是流体密度，A是流体管路横截面面积，C
p
是流体热容，T是温度，是流场矢量，k是流体热导率，Q是内热源，f
D
为摩擦因子，d

【专利技术属性】
技术研发人员：邹建新，尹成龙，林羲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：