PDF《车用高压氢燃料气瓶火烧试验及数值仿真》

第32卷第4期2011年4月 太阳能学报 ACrA ENERGIAE SOL~RIS SINI(滤V01.

32.No.4 Apr.,2011 车用高压氢燃料气瓶火烧试验及数值仿真 刘岩1'

2,胡军1,郑津洋2,韩冰1 (1.大连零锅炉莲力察漤捡验研究浣,穴连116013;

2.鼗江大学纯王魂藏臻突耩,抗娟310027) 摘要:通过对氢气瓶火烧试验,得到了气瓶火烧试验过程中外表面瀛度变化数据,并以此为基础建立了燃烧场 数篷仿真摸黧,蔫子模羧气溉凑郝气倭酶湿度、蘧力懿变诧.模攘绩果露渡验绩暴魄鞍表骥:掰建模鍪戆较准确迪 预测气瓶内部温度、压力的变化规律,可为确定军用氢燃料气瓶的火烧试验最佳控制参数指标提供技术支撵. 关键词:高压氢气瓶;

火烧试验;

燃烧;

数值仿真;

温升;

压升 枣霾分类鼍:X933.4 文簌拣议码:A O 引言军用高压氢燃料复合材料气瓶安全性是新能源 汽车的研究热点之一.潲于氢气瓶火烧试验采用天 然气龆热,裹蹶气瓶在加热状态下瓶内充装介质会 随温度的升高而膨胀,舔力逐渐上升,气瓶具有爆炸 的危险,危险系数较高,因此有必要通过火烧试验以 及理论、模拟仿真计算,基本确定率雳嘉珏氢燃料气 瓶的火烧试验方法及最佳控制参数指标,以提高气 瓶火烧试验的安全性,降低其风险程度,指导试验的 顺翻进行. 目前国内外有关氢瓶火烧试验方法的研究较 少【l'

2].日本Tamura等洳53对35MPa、65L的Iu型和 Ⅳ型复合材料储氢气瓶进行了火烧试验,主要研究 了燃料类型以及流量对爆破片(以下简称PRD,Pres. Stile Relief Device)动作时间的影响,并进行了数值模 拟.其研究表明:PRD动作时闯柴油眈液化石油气 做燃料时要短,PRD动作时间与流量成反比.Zalosh 秘Weyandt[6]对72.4L不含PRD装霞的复合材料气 瓶进行了火烧爆炸研究.浙江大学郑津洋教授团 队f,'

81现正积极研究制定我国的车用纤维缠绕氢瓶 标准,与大连市锅炉莲力容器检验研究院气瓶试验 中心(国家质梭总局核凇的气瓶设计文件鉴定机构 和唯一综合性气瓶型式试验机构)联合开展氢瓶火 烧试验方法的研究工作. 本文通过试验研究、理论分析稷数簸模拟,深入 研究该型气瓶的耐火烧性能,建立火烧试验时的爆 破压力、耐火烧时间等预测方法,为气瓶标准制定和 火烧试验安全性麓谱悠提供技术支撑. l火烧试验 薹.堇试验浚计及过程强l'

3 试验气瓶为74L、35MPa车用氢气铝合金内胆碳 纤维全缠绕气瓶,气瓶出口装有爆破片.试验环境 温度l§℃,气瓶充装蘧力28.4MPa,火烧377s之后, PRD爆破,压力为31.2MPa. 试验火源即燃烧排(由6根直径为40mm的管予 并联两成)长度为1650mm,试验气瓶总长为950mm, 火源长度保证气瓶长度范围内全部可被燃烧加热. 每根火源管子间隔30mm开有直径为3mm向上的喷 气小孔;

试验气瓶圈定于火源上方100mm处,基本 保证气瓶中心与火源中心重合;

气瓶出口瓶阀处设 有易熔塞保护装置,如果直接受火焰加热,易熔合金 的快速熔化会影响试验效果,因此需要采用铜皮犟 (依据气瓶端部的形状而单独设计而成)包裹防护, 罩与瓶捧闻的缝隙郝分照防火石棉堵塞防护;

瓶阀 蹬口引出压力管线以便进行远程压力监视、泄放等 控制. 收稿日期:2010-11-25 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007fiB209706);

国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA052143);

国家质量监胬 梭验检疫总局科技计划项目(2010QK206) 漾键俘考:郑津洋(1964_一),勇,教授、媾±生导耀,素要麸事承援设备全寿会建摸纛菇真技拳、溥洼憩嚣德运技术穆设餐、衰压技术鞠 设备、高风陵设备安全等方蕊的研究.jy小@永.edu.豫 万方数据 太阳能学报31卷 试验主要完成温度及压力数据的采集,共15通道;

压力由瓶口引出经传感器进行读取,压力为内 压,1个通道,如图1所示. 图1气瓶测点温度.时间曲线 Fig.1 Temperature-time curve outside cylinder 火烧试验采用天然气加热,有效控制火焰温度, 通过压力、温度传感器实时测量火烧过程中容器内'

的压力、火焰温度和器壁温度. 1.2试验结果及数值分析 氢瓶火烧试验过程如图1火烧试验所示.PRD 动作图为PRD开启氢气泄放遇火燃烧的场景.试 验温度采集数据分4部分进行分析,图1为气瓶上 中下以及瓶阀4部分测点平均温度与时间的规律曲 线. 从图l中曲线可看出,气瓶底部和中部温度平 均值在PRD泄放之前相差不大,上部测点温度较 低,基本符合火烧试验过程中火焰的分布规律.瓶 阀处铜皮罩起到了预先的作用,有效防护了瓶阀,温 度升高非常缓慢,在PRD开启时达到的最高温度与 气瓶上部测点温度基本相近.377s后,由于PRD开启,泄放的氢气遇火迅速燃烧,致使温度骤然上升. 气瓶底部由于防护板的原因,燃烧氢气只反喷至气 瓶上部,其影响较阀门、中部、上部温度测点小,所以 温度上升相对平缓. 压力变化分5个阶段,具体如图2所示.其中 开始加热压力未变阶段是由于瓶壁缠绕层传热缓 慢,PRD开启后平衡阶段由于氢气泄放引发爆燃反 喷至气瓶表面起到迅速再加热气瓶的作用而导致内 部剩余气体温度升高而再增压,再增压与起始压降 最终达到一个平衡点,直至因氢气量的减少而燃烧 热量减少打破这个平衡. 2数值仿真 气瓶壁由铝合金内胆、碳纤维/树脂缠绕层和玻 璃纤维/树脂缠绕层构成,其计算网格划分如图3所示. 图2试验过程中气瓶内部压力.时间曲线 Fig.2 Pressure-time cllrve imide of test cylinder 图3网格结构图 Fig.3 Grid structure 数值仿真分两步进行,第一燃烧场数值仿真,第 二传热数值仿真.材料参数见表1.燃烧场计算完 毕,提取气瓶表面温度,用于传热计算,实现两步数 据关联. 表1气瓶材料密度及导热系数 Table

1 Densities and thermal eonducfivities of materials 2.1燃烧控制方程及边界条件 由于燃料和氧化剂以相异流的方式进入反应 区,所以此燃烧按非预混燃烧模拟,利用混合分数求 解输运方程. 1)定义混合分数 在一系列简化假设下,流体的瞬时热化学状态 与一个守恒量,即混合分数.厂相关.混合分数可根 据原子质量分数写为: 万方数据 4期 刘岩等:车用高压氢燃料气瓶火烧试验及数值仿真

591 ,=箍(1) 式中,互――元素i的质量分数;

删――氧化剂流入 口处的值;

触卜一燃料入1:3处的值. 2)混合分数的输运方程 平均(H.ff,l平均)混合分数方程为: 麦(矿)+V.(方)=V.(鲁V于)+S.+S一(2) 式中,S.――源项,仅指质量由液体燃料滴或反应颗 粒(如煤)传入气相中;

5一――任何用户定义源项. 3)f与组分质量分数、密度及温度之间的关系: 拳i-乒i(f,H.) (3) 式中,拳;

――瞬时组分质量分数、密度或温度;

日.――瞬时焓. ∥2莩叶岛2莩_nTiff,cp,舻+^?(‰)】 J , L J J (4) 天然气主要成分为甲烷(cH4),燃烧模型使用单 步完成反应机制,同时假定燃料完全燃烧生成C02 和H20,反应方程为: CH4+202一C02+2H20 (5) 燃烧边界设定如图4所示,整个域设为5m*5m* 2m的长方体空间;

依据试验设计,燃烧排共开有向 上燃料出Vi 55*4=220个,按此数量进行fuelinlet 建模边界设定;

燃料进气速度为25m/s,且假设稳定. 图4燃烧边界设定 Fig.4 Boundary 90ndition set of combustion 2.2传热控制方程及边界条件 气瓶加热时瓶壁轴对称热量传递方程为: lDc,瓦O T=茅(七,等)+÷(尼,箬)+毫(五;

篑)+ mg C阼万3T+考(Q―h.一hs) (6) 式中,C.――比热容;

Ji}――热传导系数;

r――厚度 位移;

m.―L气体质量流量;

c雕――气体比热容;

^一――传热层焓;

hs――气体焓. 边界条件: (等)r-一知 (7) 初始条件: (T.)Ⅲ=To (8) 式中,Q.――气瓶外壁吸入的热量;

To――初始壁 面温度;

T.――气瓶外表面温度. 氢气的气体状态方程为[10f: R型T=(1+引(9) 一一丁/ V

7 式中,a=1.9155*10 I∥Pa. 由于气瓶壁三层之间温差较小,所以假设紧密 贴合,各界面之间温度为连续.气瓶初始充装压力 为28.4MPa,计算前设置瓶内气体基准压力等于充 装压力. 2.3计算结果 图5为燃烧仿真云图,其火焰温度基本符合常 规天然气燃烧温度范围,火焰顶部温度最高在1700― 19000C. 图5燃烧仿真云图 Fi........