氣體從高壓容器釋放，或注入低壓容器中會發生狀態的變化。根據流體力學的質量守恒、能量守恒以及氣體狀態方程可以預測壓力，流量以及溫度的變化過程。

Flow Simulator是 Altair 公司一款系統級熱-流體-燃燒仿真模塊，廣泛用于渦輪冷卻、復雜管路系統和熱網絡的快速分析。

• 氣體充放過程的仿真采用一維CFD方法，需要管路，閥門、孔板、分配器、壓力容器等流動單元以及熱網絡法模擬罐體的傳熱過程。

• 具有儲氣罐內腔氣體對流換熱系數模型，準確模擬氣體和容器的換熱過程。

  
  

• 具有控制器單元可以模擬閥門的開啟、關閉，監測氣體溫度、壓力、密度變化的動態過程

  
  

• 具有NASACEA材料庫以及焦耳-湯姆遜效應*模型，可以模擬真實氣體的熱力學狀態變化

*氣體通過節流閥的過程中，會產生壓力突變，繼而引起溫度發生改變。這種現象被稱為焦耳-湯姆遜效應 ( Joule-Thomson effect），這一現象對制冷系統以及液化器、空調和熱泵的發展起到了非常重要的作用。例如，這一效應可以用來解釋為什么當我們從自行車輪胎中釋放空氣時，輪胎氣門會變冷。

氫能源車的加注過程通常只要幾分鐘，出于安全考慮，在快充過程中必須保證溫度<85℃ 。

在加注過程中，流量的大小、充氣的壓力、儲氫罐的容積、形狀，以及氫氣和容器內壁面的對流換熱強弱決定了溫升的快慢。 

CFD仿真模型如果用單一的換熱系數會產生較大偏差。因此，在Flow Simulator中我們采用前饋控制器(Feed Forward Controller)對流換熱系數(HTC)進行修正，并和實驗結果進行對比。

氫氣加注實驗裝置參數

氫氣加注原理圖

氫氣加注原理圖

前饋控制器輸入表格，控制加氫的流量。

氫氣流量隨時間的變化量

在前饋控制器中Gauge Variable是要監測的物理量，比如氣體的密度、粘度、比熱等等，Manipulated Variable是要控制的變量，比如HTC。 

在Relation中用Python腳本定義物理量的表達式，無需編譯。

前饋控制器參數設置

Flow Simulator模型時間步長=0.25秒，總時間240秒。

仿真結果和實驗的對比：

HTC隨時間的變化

罐內氫氣質量隨時間的變化

氫氣溫度隨時間的變化

氫氣在長距離輸送過程中，需要考慮管路和環境的換熱。Flow Simulator采用流動網格和熱網絡耦合的方法模擬管內氣體和外部的換熱。

大型儲氫罐的管路圖

計算條件：環境溫度40℃，氫氣預冷到零下33℃，初始壓力2Mpa, 每分鐘升高25Mpa。

Flow Simulator仿真結果和NREL（美國國家可再生能源實驗室）代碼對比：

氫氣溫度、壓力和質量隨時間的變化

模擬氦氣從高壓罐（0.19升）通過節流閥流入低壓罐（0.658升）。初始時刻氣體和罐體為室溫，氣體在壓差下流動，最終達到氣壓平衡。 

在氣體快速膨脹過程中，罐體內氣體流速相對較低，但是閥門附近氣流可能達到音速。氣體的傳熱可分為2個階段，第一個階段由于焦耳-湯姆遜效應氣體急速膨脹降溫，儲氣罐固體向內部氣體傳熱。第二階段罐體內的氣流形成自然對流，溫度逐步升高，最終和環境一致達到熱平衡。 

搭建一維CFD模型模擬氣體充放過程， Generic Fixed Volume模擬固定容積的罐體，Orifice模擬孔板，采用真實氣體模擬氦氣的熱力學狀態變化。

實驗裝置圖

一維仿真原理圖

熱網絡模型的對流單元定義

McAdams對流換熱系數理論公式：

垂直面的對流換熱系數模型

水平面的對流換熱系數模型

一維仿真結果和實驗的對比：

氦氣壓力隨時間的變化，高壓罐=20.79MPa

氦氣溫度隨時間的變化,高壓罐=20.79MPa

可以看到在前3秒氣體溫度的急劇降低

氦氣溫度隨時間的變化,高壓罐=2.17MPa

隨著氣源壓力的降低，初始時刻溫度降低的幅度也減小了

• 采用Flow Simulator分別模擬了氫氣的快充過程，預冷氫氣的長距離管路輸運，以及壓縮氦氣的充放過程。仿真結果和物理實驗對標達到了理想的精度。

  
  

• 壓縮氣體和罐體的傳熱不能采用單一的對流換熱系數，推薦用自定義公式進行修正或McAdams模型。

  
  

• 壓縮氣體采用真實氣體模型才能正確模擬熱力學狀態的變化。

  
  

• 一維CFD方法計算效率較高，30秒的瞬態充氣過程仿真時間僅需10分鐘。

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