PDF《车用高压氢燃料气瓶火烧试验及数值仿真》

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;