CFD专栏丨气体存储一维CFD仿真

气体从高压容器释放，或注入低压容器中会发生状态的变化。根据流体力学的质量守恒、能量守恒以及气体状态方程可以预测压力，流量以及温度的变化过程。

Flow Simulator是 Altair 公司一款系统级热-流体-燃烧仿真模块，广泛用于涡轮冷却、复杂管路系统和热网络的快速分析。

• 气体充放过程的仿真采用一维CFD方法，需要管路，阀门、孔板、分配器、压力容器等流动单元以及热网络法模拟罐体的传热过程。

• 具有储气罐内腔气体对流换热系数模型，准确模拟气体和容器的换热过程。

  
  

• 具有控制器单元可以模拟阀门的开启、关闭，监测气体温度、压力、密度变化的动态过程

  
  

• 具有NASACEA材料库以及焦耳-汤姆逊效应*模型，可以模拟真实气体的热力学状态变化

*气体通过节流阀的过程中，会产生压力突变，继而引起温度发生改变。这种现象被称为焦耳-汤姆逊效应 ( Joule-Thomson effect），这一现象对制冷系统以及液化器、空调和热泵的发展起到了非常重要的作用。例如，这一效应可以用来解释为什么当我们从自行车轮胎中释放空气时，轮胎气门会变冷。

氢能源车的加注过程通常只要几分钟，出于安全考虑，在快充过程中必须保证温度<85℃ 。

在加注过程中，流量的大小、充气的压力、储氢罐的容积、形状，以及氢气和容器内壁面的对流换热强弱决定了温升的快慢。 

CFD仿真模型如果用单一的换热系数会产生较大偏差。因此，在Flow Simulator中我们采用前馈控制器(Feed Forward Controller)对流换热系数(HTC)进行修正，并和实验结果进行对比。

氢气加注实验装置参数

氢气加注原理图

氢气加注原理图

前馈控制器输入表格，控制加氢的流量。

氢气流量随时间的变化量

在前馈控制器中Gauge Variable是要监测的物理量，比如气体的密度、粘度、比热等等，Manipulated Variable是要控制的变量，比如HTC。 

在Relation中用Python脚本定义物理量的表达式，无需编译。

前馈控制器参数设置

Flow Simulator模型时间步长=0.25秒，总时间240秒。

仿真结果和实验的对比：

HTC随时间的变化

罐内氢气质量随时间的变化

氢气温度随时间的变化

氢气在长距离输送过程中，需要考虑管路和环境的换热。Flow Simulator采用流动网格和热网络耦合的方法模拟管内气体和外部的换热。

大型储氢罐的管路图

计算条件：环境温度40℃，氢气预冷到零下33℃，初始压力2Mpa, 每分钟升高25Mpa。

Flow Simulator仿真结果和NREL（美国国家可再生能源实验室）代码对比：

氢气温度、压力和质量随时间的变化

模拟氦气从高压罐（0.19升）通过节流阀流入低压罐（0.658升）。初始时刻气体和罐体为室温，气体在压差下流动，最终达到气压平衡。 

在气体快速膨胀过程中，罐体内气体流速相对较低，但是阀门附近气流可能达到音速。气体的传热可分为2个阶段，第一个阶段由于焦耳-汤姆逊效应气体急速膨胀降温，储气罐固体向内部气体传热。第二阶段罐体内的气流形成自然对流，温度逐步升高，最终和环境一致达到热平衡。 

搭建一维CFD模型模拟气体充放过程， Generic Fixed Volume模拟固定容积的罐体，Orifice模拟孔板，采用真实气体模拟氦气的热力学状态变化。

实验装置图

一维仿真原理图

热网络模型的对流单元定义

McAdams对流换热系数理论公式：

垂直面的对流换热系数模型

水平面的对流换热系数模型

一维仿真结果和实验的对比：

氦气压力随时间的变化，高压罐=20.79MPa

氦气温度随时间的变化,高压罐=20.79MPa

可以看到在前3秒气体温度的急剧降低

氦气温度随时间的变化,高压罐=2.17MPa

随着气源压力的降低，初始时刻温度降低的幅度也减小了

• 采用Flow Simulator分别模拟了氢气的快充过程，预冷氢气的长距离管路输运，以及压缩氦气的充放过程。仿真结果和物理实验对标达到了理想的精度。

  
  

• 压缩气体和罐体的传热不能采用单一的对流换热系数，推荐用自定义公式进行修正或McAdams模型。

  
  

• 压缩气体采用真实气体模型才能正确模拟热力学状态的变化。

  
  

• 一维CFD方法计算效率较高，30秒的瞬态充气过程仿真时间仅需10分钟。