FLUENT车用液氢气瓶快充模拟
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1 前言
低温容器加注过程与一般的常温液体容器加注有许多不同之处。低温液体受热容易膨胀，而液体具有不可压缩性，所以气瓶必须留出一定的气相空间，使介质受热后有膨胀空间。如果加注过量，气相空间不足，随着外部热量进入气瓶，瓶内的压力将急剧升高。一旦气瓶内的压力大于气瓶的爆破压力，则会造成安全事故。因此，须确保气瓶加注完成后留有一定的气相空间，通常会在瓶内设置防过充装置，如溢流阀和气包装置等，确保气瓶的安全充装[1]。今天，我们根据参考文献研究一个带有防过充装置的液氢瓶加载过程。如下图所示，气包防过充装置由防过充筒体和防过充封头组成，与后封头焊为一体，形成一个独立的腔室，其容积为气瓶容积的 10%，且在防过充筒体底部开有小孔。其作用原理是首次充装内筒腔室满液时，由于气包防过充筒底部开孔孔径很小，在短时间内流入气包的液体量很少，从而保留一定的气相安全空间。加注完成后随着时间延长，内筒腔室内液体会通过小孔逐渐流入气包内，达到内外液位平衡，从而确保气瓶的气相安全空间。
2 建模与网格
创建如下的三维模型，考虑到对称性，我们只取一半体积，大大减少计算量。注意，建模时，我们将防过充装置创建为零厚度壁面结构，防过充装置和气瓶内部分别属于两个流体域，通过开孔进行联通（interior），开孔尺寸1mm。在fluent meshing模块划分多面体网格，节点数约为36.7万，最小正交质量0.546。另外，由于参考文献缺少了气瓶的具体尺寸参数，因此本案例的尺寸为自行定义，比如气瓶的容积和防过充装置的尺寸，这会影响计算结果的具体数值，但是不影响总体趋势。
3 边界条件与求解设置
由于考虑到气体的压缩，因此氢气采用理想气体模型。
文献采用Lee模型模拟了液氢的相变，相变因子均设置为0.1。
采用VOF模型模拟气液两相流，这里需要特别指出一点，由于在局部位置可能会产生很大的CFL数，造成VOF迭代计算更新CFL数时停顿很久，因此本案例我们将体积分数参数设置为隐式格式（Implicit），这样，在较大的时间步长也具有较快的计算速度。
本案例采用如下的UDF定义了饱和温度和饱和压力的关系，这一点参考文献没有明确指出。
DEFINE_PROPERTY(saturation,c,t){real p_ab;real p_op=RP_Get_Real("operating-pressure");real t_sat;p_ab=p_op+C_P(c,t);t_sat=3.58966*pow(log10(p_ab),2)-28.44835*log10(p_ab)+72.80583;C_UDMI(c,t,0)=t_sat;return t_sat;}
根据参考文献，我们将加注流量设置为0.05kg/s（注意，由于模型是1/2的，因此流量值也应为1/2，即0.025kg/s），加注温度20K。
本案例需要考虑重力，并且参考压力我们设置为标准大气压。
采用如下值进行初始化，采用patch方式设置初始充装率。
创建两个监视器，分别监控气瓶和过程装置的压差以及防过充装置内液体容积的动态变化。
瞬态求解，时间步长取0.005s。注意，本案例的工况总计算时间耗时一周多。
4 计算结果
我们先看一下气瓶和过程装置的压差以及防过充装置内液体容积的动态曲线，趋势和参考文献一致。
再看一下不同时刻气瓶内压力云图和液氢体积分数云图，趋势和参考文献一致。
5s压力和体积分数
150s压力和体积分数
455s压力和体积分数
参考文献
[1] 车用液氢气瓶快充过程数值模拟
