【摘 要】
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碳纤维增强复合材料气瓶是目前氢能汽车主流的车载储氢方式,其储氢压力可达70MPa,具有储氢密度高、充放速度快等优点。但氢气的充装过程会因压缩效应等因素造成温度急剧升高,进而影响气瓶纤维/环氧树脂复合材料层的力学性能,具有一定的安全隐患,因此探明氢气充装过程中的温升演化规律有助于温升控制方案的制定,对氢能汽车的安全性具有重要意义。本文采用计算流体力学(CFD)方法对具有不同结构参数的储氢气瓶充装过程
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碳纤维增强复合材料气瓶是目前氢能汽车主流的车载储氢方式,其储氢压力可达70MPa,具有储氢密度高、充放速度快等优点。但氢气的充装过程会因压缩效应等因素造成温度急剧升高,进而影响气瓶纤维/环氧树脂复合材料层的力学性能,具有一定的安全隐患,因此探明氢气充装过程中的温升演化规律有助于温升控制方案的制定,对氢能汽车的安全性具有重要意义。本文采用计算流体力学(CFD)方法对具有不同结构参数的储氢气瓶充装过程中的温升演化规律展开研究,主要研究内容包括:(1)针对不同充装速率下的大巴车载储氢气瓶快充及静置过程进行了数值模拟并获得了温升演化规律。揭示了不同充装速率下大巴车载储氢气瓶内的温度分布特征,探究了不同标称工作压力下气瓶内氢气、固体材料层的温升演化过程,阐释了不同类型气瓶内氢气、固体材料层温升演化差异,评估了不同充装速率对瓶内传热和气瓶壁面固体层材料间传热特性的影响,给出并对比了不同充装速率下气瓶固体层的最高温升,分析了环境温度对瓶内氢气温升演化的影响,基于温升影响规律的研究提出了大巴车载III型气瓶充装建议时间。(2)针对不同结构参数下的车载储氢气瓶快充及静置过程进行了数值模拟并获得了温升演化规律。展示了不同壁面厚度储氢气瓶内的温度分布特征,研究了不同壁面厚度气瓶内氢气、固体材料层的温升演化过程,获得了气瓶固体层厚度对温升的影响规律,探究了不同水容积气瓶内氢气、碳纤维复合层的温升演化过程,得到了气瓶水容积对氢气温升、碳纤维/环氧树脂复合层温升的影响规律。(3)通过理论分析和非线性拟合获得了包括充装速率及结构参数在内的多参数共同作用下的气瓶快充温升规律。研究了引入的无量纲体积基参数对温升最高值的影响规律,通过理论分析反映了瓶外各固体壁面层之间的热耗散与瓶内气体温升对充装过程传热的综合影响,得到了气瓶充装速率及结构参数对温升演化的影响。通过非线性拟合获得了多参数共同作用下的气瓶快充温升规律,结果可为车载储氢气瓶充装方案的制定提供一定的理论指导。
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