CFD专栏丨气体存储一维CFD仿真
工业气体的储存
在18世纪，当气体在实验室生产和研究时，它们通常被储存在黄牛或猪的皮囊中，或被储存在专门制作的气袋中。第一只压缩气体贮槽在1810年前后发明，被用来储存干燥的煤气。到了1850年前后，金属容器被制成出来用于储存氢气以及其他工业气体。1892年，美国人James Dewar设计并制造了一种绝热容器，这种绝热容器叫“杜瓦瓶”，此项发明对储存和运输温度非常低的液态气体是一个非常大的贡献。并且在1898年Dewar成功的液化了氢气。
高压氢气储罐 （图片来源于网络）
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气体的充放过程
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。
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Flow Simulator 在气体存储行业的应用
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。
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氢能源车的加注案例分析
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
氢气加注一维CFD模型
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
气体压力随时间的变化
罐内氢气质量随时间的变化
温度仿真趋势基本和实验一致，产生微小偏差的原因可能是温度传感器的测量误差以及仿真模型的罐体厚度，材料热属性和实验模型不完全一致造成。
氢气温度随时间的变化
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大型储氢罐的加注案例
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
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氦气的充放过程对标案例
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
实验装置参数
一维CFD模型
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
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总结
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。
