基于FLUENT的高压氢气充注过程动态仿真研究

1 前言

高压储氢瓶在充装过程中，气体压力和温度升高，气瓶承受的压力快速上升。根据GB24160-2009等标准要求，目前常用的铝内胆碳纤维缠绕瓶工作温度要处在-40~85℃范围内，氢气充注过程中瓶内的温度压力变化规律的研究就显得尤为重要。

之前基于Matlab/Simulink平台搭建了一个氢气充注过程动态仿真模型，该模型实际上是一个集总参数法的0D模型，若要获得充注过程中更为细致的信息比如温度分布等，CFD是一个合适的选择。今天，我们接着之前相同的案例模型，在FLUENT软件开展一下氢气充注的仿真。

2 建模与网格

建立如下的二维轴对称氢气瓶模型，该气瓶的内部水容积为40L，计算域包括内部氢气域、气瓶铝内胆固体域、气瓶纤维缠绕固体域、充注管道固体域，整个计算域只有一个入口。划分四边形结构化网格，节点数约7万，最小正交质量0.699。在建模时，将氢气加注口往气瓶内延伸，以获得更为准确的入口速度状态。

3 求解设置

启用瞬态求解器。

采用标准k-e湍流模型。

由于压力较大，压力单位修改为atm。

分别创建氢气、铝内胆、纤维缠绕层、钢管材质（分别如下四图）；核心是氢气的物性，由于温度压力变化显著，因此氢气的物性采用常值就不合适了，密度采用Redlich-Kwong真实气体模型，由于压力很高，采用理想气体模型将带来较大误差。粘度、导热系数等采用分子动力学理论模型。

入口采用质量流量入口边界条件，流量值为0.0057kg/s，入口温度亦即充注氢气的温度294K。

气瓶外表面为对流换热边界，环境温度290K，对流换热系数6W/m².K。

初始化计算域，初始压力2MPa，初始温度274K，初始速度为0。

创建监视器，分别监测瓶内平均温度和平均压力的变化。

瞬态求解，时间步长0.001s。采用Redlich-Kwong真实气体模型，时间步长较大可能会发散。

4 计算结果

瓶内氢气压力-时间曲线如下图，与参考文献的实验对比，整体趋势较为相符。

瓶内氢气温度-时间曲线如下图，与参考文献的实验对比，整体趋势较为相符。

约116s时刻，瓶内氢气温度分布如下

约116s时刻，瓶内氢气压力分布如下

约116s时刻，瓶内氢气速度分布如下

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