一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法及系统，该方法包括：建立高压氢气泄漏自燃物理模型；建立耦合氢/空气详细化学反应机理的高压氢气泄漏自燃CFD模型，获得质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；采用RNG k

【技术实现步骤摘要】
一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法及系统


[0001]本专利技术属于氢能领域，具体涉及一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法及系统。

技术介绍

[0002]氢气由于其燃烧过程只产生水，正受世界各国重视。然而，安全性是氢能全生命周期的关键瓶颈问题，高压又是其中最为突出的风险要素。即使没有点火源，当高压氢气突然泄漏时，极有可能发生自燃，进而引起喷射火和爆炸，最后导致严重的人员伤亡和损失。
[0003]对于可燃气体泄漏自燃的研究，主要采用仿真模拟和实验两种方法。由于氢气自燃过程的复杂性，涉及湍流、边界层混合、激波作用和微观反应动力学等，目前对高压氢气泄漏自燃的研究相对匮乏，尤其在数值模拟方面。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法及系统，该方法及系统有利于提高仿真模拟高压氢气泄漏自燃的准确性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1：建立高压氢气泄漏自燃物理模型；
[0007]步骤S2：建立耦合氢/空气详细化学反应机理的高压氢气泄漏自燃CFD模型，获得质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；
[0008]步骤S3：采用RNGk
‑
ε湍流模型来封闭动量守恒方程，即纳维
‑
斯托克斯方程；
[0009]步骤S4：采用涡耗散概念模型模拟燃烧反应；
[0010]步骤S5：求解所述高压氢气泄漏自燃CFD模型的边界条件和初始条件；
[0011]步骤S6：对所述高压氢气泄漏自燃CFD模型的流体力学基本方程在计算域上进行离散化；
[0012]步骤S7：求解所述质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程，获得高压氢气泄漏自燃CFD模型每个网格单元的流场数据；
[0013]步骤S8：判断步骤S7获得的每个网格单元的流场数据是否收敛，是则执行步骤S9，否则重新确定边界条件和初始条件或网格单元的疏密程度，返回执行步骤S4；
[0014]步骤S9：根据实验数据和模拟结果的对比，对模型进行修正，最终确定实用性模型。
[0015]进一步地，所述步骤S2中，获得的质量守恒方程即连续方程，具体为：
[0016][0017]其中，ρ表示密度，u
i
表示速度矢量；
[0018]能量守恒方程为：
[0019][0020]其中，E表示总能量，k
eff
表示有效热导系数，T表示温度，h表示比焓，表示扩散通量，表示有效粘性切应力张量，下标i表示是第i种物质；
[0021]其中，总能量E表示为：
[0022][0023]动量守恒方程为：
[0024][0025]其中，P表示压力，τ
ij
表示粘性应力张量，运算中忽略重力的影响，即ρg
i
＝0；
[0026]其中，粘性应力张量表示为：
[0027][0028]其中，μ表示气体粘度，I表示单位张量。
[0029]进一步地，所述步骤S2中，氢/空气详细化学反应机理即氢气在空气中燃烧的19 步详细化学反应机理如下所示：
[0030][0031][0032]其中，A是指前因子，β
r
是第r次反应的温度指数，E
r
是活化能。
[0033]进一步地，所述步骤S3中，采用RNGk
‑
ε湍流模型来封闭纳维
‑
斯托克斯方程，由 k和ε的两个守恒方程组成：
[0034][0035][0036]其中，G
k
、G
b
分别表示由于层流速度梯度和浮力而产生的湍动能；Y
M
表示可压缩湍流中的脉动扩张；C
1ε
和C
2ε
为常数，分别取1.42和1.68；α
k
和α
ε
分别为k和ε的湍流普朗特数；S
k
和S
ε
表示用户定义的源项，附加项R
ε
和有效粘度μ
eff
由下式给出：
[0037][0038][0039]其中，η≡Sk/β，η0＝4.38，β＝0.012；C
μ
＝0.0845，由RNG理论导出。
[0040]进一步地，所述步骤S4中，采用涡耗散概念模型进行湍流火焰建模，并求解燃烧化学反应；所述涡耗散概念模型假设化学反应都发生在Kolmogorov尺寸下的小涡中，即精细涡，而反应的时间由精细涡及化学反应本身需要的时间共同控制；
[0041]小涡的空间分辨率为：
[0042][0043]其中，C
ζ
表示容积比率常数，取2.1377；
[0044]化学组分在τ*时间内发生化学反应，τ*的表达式为：
[0045][0046]其中，C
τ
表示时间尺度常数，取0.4082。
[0047]进一步地，所述步骤S5中，求解耦合氢/空气详细化学反应机理的高压氢气泄漏自燃CFD模型的边界条件和初始条件的具体方法为：高压储罐里面未发生复杂流动现象，因此将高压储罐简化为管道进口高压区；用隔膜将高压区与下游管道分隔开，不耦合开启过程，隔膜被认为瞬间破裂；壁面均采用绝热壁面；高压区的进口定义为压力等于 P
burst
的压力入口边界条件，管的末端定义为压力出口边界条件。
[0048]进一步地，所述步骤S8中，收敛条件为：进出口流量差≤0.05；或监测点的温度、压力曲线趋于平稳不再变化，即监测点的温度、压力曲线的变化小于预设的变化阈值；或计算的残差值趋于稳定，即残差值小于预设的残差阈值。
[0049]本专利技术还提供了一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0050]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术耦合了氢/空气详细化学反应机理，采用RNGk
‑
ε湍流模型和EDC燃烧模型对高压氢气泄漏自燃过程进行模拟计算，可以更精确地计算高压氢气泄漏自燃过程的流体力学信息。本专利技术的仿真方法与实际情况更加相符，更加具有科学性，仿真准确性有大幅提升。
附图说明
[0051]图1为本专利技术实施例的方法实现流程图；
[0052]图2为本专利技术实施例中高压氢气泄漏自燃物理模型的结构示意图；
[0053]图3为本专利技术实施例中耦合氢/空气一步化学反应机理的CFD模型数值模拟结果与
实验测量结果激波平均速度对比图；
[0054]图4为本专利技术实施例中耦合氢/空气详细化学反应机理的CFD模型数值模拟结果与实验测量结果激波平均速度对比图；
[0055]图5为本专利技术实施例中耦合两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：建立高压氢气泄漏自燃物理模型；步骤S2：建立耦合氢/空气详细化学反应机理的高压氢气泄漏自燃CFD模型，获得质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；步骤S3：采用RNG k
‑
ε湍流模型来封闭动量守恒方程，即纳维
‑
斯托克斯方程；步骤S4：采用涡耗散概念模型模拟燃烧反应；步骤S5：求解所述高压氢气泄漏自燃CFD模型的边界条件和初始条件；步骤S6：对所述高压氢气泄漏自燃CFD模型的流体力学基本方程在计算域上进行离散化；步骤S7：求解所述质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程，获得高压氢气泄漏自燃CFD模型每个网格单元的流场数据；步骤S8：判断步骤S7获得的每个网格单元的流场数据是否收敛，是则执行步骤S9，否则重新确定边界条件和初始条件或网格单元的疏密程度，返回执行步骤S4；步骤S9：根据实验数据和模拟结果的对比，对模型进行修正，最终确定实用性模型。2.根据权利要求1所述的一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，获得的质量守恒方程即连续方程，具体为：其中，ρ表示密度，u
i
表示速度矢量；能量守恒方程为：其中，E表示总能量，k
eff
表示有效热导系数，T表示温度，h表示比焓，表示扩散通量，表示有效粘性切应力张量，下标i表示是第i种物质；其中，总能量E表示为：动量守恒方程为：其中，P表示压力，τ
ij
表示粘性应力张量，运算中忽略重力的影响，即ρg
i
＝0；其中，粘性应力张量表示为：其中，μ表示气体粘度，I表示单位张量。3.根据权利要求1所述的一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，氢/空气详细化学反应机理即氢气在空气中燃烧的19步详细化学反应机理如下所示：
其中，A是指前因子，β
r
是第r次反应的温度指数，E
r
是活化能。4.根据权利要求1所述的一种CFD模拟高压氢气泄漏自燃的预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用RNG k
‑
ε湍流模型来封闭纳维
‑
斯托克斯方程，由k和ε的两个守恒方程组
成：成：其中，G
k
、G
b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕霖，江莉龙，李西贵，罗宇，李卫东，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：