氢泄漏与扩散数值仿真研究

论文摘要

高压储氢容器的安全性能研究是目前氢能源广泛应用所面临的关键技术,本文以此为背景,在国家“863”高技术项目的资助下,对储氢容器裂纹稳定性以及氢泄漏扩散流场特征进行了较为深入的研究。本文针对储氢容器结构在氢损伤条件下的受力特点以及氢自身的物理化学性质,在分析高压氢气环境下裂纹稳定性及裂纹扩展情况的基础上,通过数值模拟揭示了氢气泄漏扩散流场特征,可为氢气泄漏安全预警系统的设计提供参考。主要完成以下工作:1、以大型储氢容器为研究对象,系统论述了储氢容器壁面上贯穿裂纹的受力以及扩展情况,研究了氢损伤条件下裂纹扩展过程中各种因素之间的物理关系,并对裂纹扩展速度进行了理论分析,同时对判断裂纹稳定性的几种方法进行总结。2、在一定假设条件下,研究了氢气泄漏扩散射流流场的数学模型,并对求解算法进行了详细理论阐述。3、利用有限体积法,运用FLUENT软件对氢气泄漏扩散流场进行了数值模拟,分析自由泄漏空间的氢气泄漏扩散情况,得到了流场的速度、压强、氢气浓度以及氢气可燃区域等物理量的分布情况。同时对比分析了容器体内压、裂纹孔径、外来风等因素对泄漏扩散流场分布的影响。4、通过密闭泄漏空间仿真分析,对氢气泄漏扩散非稳态流场进行研究,描述并分析了氢气泄漏扩散随时间的变化过程。针对单通风口情形,分析了通风口大小及位置对流场分布的影响。对比分析了自由空间与单通风口空间氢泄漏扩散中氢浓度的分布特点,并根据计算仿真结果,对氢泄漏预警系统的传感器布局提出了合理化建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 储氢压力容器安全性能的研究背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 高压压缩储氢研究进展
• 1.3.2 氢损伤机理研究研究现状
• 1.3.3 气体泄漏扩散CFD 研究发展现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 储氢容器壁面裂纹扩展特性分析
• 2.1 储氢容器裂纹的受力分析
• 2.1.1 最大周向应力理论
• 2.1.2 高压储氢容器裂纹受力分析
• 2.2 氢损伤下裂纹滞后断裂分析
• 2.2.1 金属中氢的存在形式
• 2.2.2 门槛应力强度因子
• 2.2.3 极限内压
• 2.2.4 极限裂纹长度
• 2.3 氢损伤下裂纹扩展分析
• 2.3.1 裂纹扩展的控制扩展机理
• 2.3.2 氢损伤下裂纹扩展速度估算
• 2.4 储氢容器裂纹稳定性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 高压氢气泄漏扩散数值计算方法
• 3.1 高压氢气泄漏扩散流动状态
• 3.1.1 射流现象的分类
• 3.1.2 射流的基本特点
• 3.2 组分传输的数值模拟
• 3.2.1 层流中的质量扩散
• 3.2.2 湍流中的质量扩散
• 3.2.3 对能量方程中的物质输送处理
• 3.3 泄漏扩散中湍流的数值模拟
• 3.3.1 湍流问题的RANS 方程
• 3.3.2 k-ε两方程湍流模型
• 3.3.3 数值计算方法
• 3.4 FLUENT 软件简介
• 3.4.1 FLUENT 求解器功能
• 3.4.2 储氢容器泄漏CFD 的求解过程
• 3.4.3 求解的收敛性与可视化
• 3.5 本章小结
• 第四章 自由空间氢气泄漏扩散数值模拟分析
• 4.1 计算模型抽象化与数值模拟处理
• 4.1.1 物理模型的抽象
• 4.1.2 边界条件的选择
• 4.1.3 网格的生成
• 4.1.4 主要参数设置
• 4.1.5 数值计算
• 4.2 数值结果验证
• 4.2.1 入口流量大小数值计算结果与理论结果的对比
• 4.2.2 各个物理分量场数值模拟结果与理论结果对比分析
• 4.3 不同泄漏环境下数值模拟与分析
• 4.3.1 内压大小变化对泄漏扩散的影响
• 4.3.2 孔径大小变化对泄漏扩散的影响
• 4.3.3 外来风风向变化对泄漏扩散的影响
• 4.3.4 外来风风速变化对泄漏扩散的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 密闭空间氢气泄漏扩散数值模拟分析
• 5.1 非稳态数值模拟方法验证
• 5.2 密闭空间模型抽象化与数值模拟处理
• 5.2.1 密闭空间模型抽象化
• 5.2.2 边界条件的选择
• 5.2.3 网格生成
• 5.2.4 主要参数设置
• 5.3 密闭空间氢气泄漏扩散非稳态模拟分析
• 5.3.1 氢气速度分布
• 5.3.2 氢气浓度分布
• 5.3.3 角线浓度分布
• 5.3.4 氢气泄漏扩散检测时传感器布置策略
• 5.4 单通风口密闭空间氢气泄漏扩散稳态模拟分析
• 5.4.1 通风口大小的影响
• 5.4.2 通风口位置的影响
• 5.4.3 单通风口空间泄漏扩散与自由空间泄漏扩散的对比
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果