用于高压储氢气瓶充放气循环过程的热力学建模方法

本发明属于高压储氢，尤其涉及用于高压储氢气瓶充放气循环过程的热力学建模方法。

背景技术：

1、氢能凭借其高热值、零污染的优势，已成为交通领域主流的低碳能源方案。70mpa塑料内胆碳纤维缠绕iv型气瓶凭借轻量化、高承压优势，成为车载储氢的主流产品。车载储氢气瓶的常规充放流程分为快充、静置和放气三个阶段。根据安全标准规定，车载高压储氢瓶充装过程中最高温度不得超过85℃，放气过程中最低温度不得低于-40℃，否则将引发瓶壁材料降解、内胆变形甚至氢气泄漏等安全隐患。

2、目前，行业普遍采用cfd三维流体仿真或单一工况试验开展储氢气瓶充放气过程的性能分析，但现有技术存在以下多重缺陷：

3、（一）在仿真方法层面，传统三维cfd模型需海量精细网格捕捉氢气射流换热过程，单次充放循环仿真耗时数十小时，计算成本极高。现有模型多采用理想气体假设，而高压下氢气偏离理想气体状态，物性偏差大。此外，多数研究仅单独分析充气阶段，忽略多次充放循环累积温变效应；且网格、时间步长未做标准化无关性校验，仿真误差通常超过8%，难以满足工程精度要求。

4、（二）在参数研究维度层面：现有研究仅单独分析进气流量、预冷温度或气瓶内径等单一参数的影响，缺少双参数、三参数耦合量化分析手段。快充时氢气绝热压缩和射流混合导致瓶内温度骤升，常规工况峰值温度易超85℃国标上限，高温会导致碳纤维与树脂界面脱粘；放气阶段焦耳-汤姆逊负效应引发剧烈低温，极端工况低于-40℃下限。冷热交变产生大幅热应力，长期循环易造成瓶口应力集中和碳纤维过载。

5、（三）在工况控制方案层面：单纯降低充气流量虽能抑制温升，但会大幅延长加氢时长，降低车辆使用便利性；单纯加大预冷降温幅度会提升加氢站制冷能耗；仅调整气瓶内径则会同步加剧放气阶段低温问题。现有技术缺少兼顾快充效率、温压安全与换热性能的协同优化方案。

6、（四）优化体系层面：现有研究仅给出单工况仿真数据，无法提供满足国标限值的最优参数组合，多次循环下温度持续累积升高的问题无法得到有效解决。

7、综上所述，现有技术亟需一种兼顾计算效率与精度、能够实现多参数协同优化调控的高压储氢气瓶充放气循环过程热力学建模与参数调控方法。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供用于高压储氢气瓶充放气循环过程的热力学建模方法，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明实施例是这样实现的，用于高压储氢气瓶充放气循环过程的热力学建模方法，包括以下步骤：

3、步骤1：建立高压储氢气瓶充放气循环过程的热力学模型；

4、步骤2：对热力学模型进行网格无关性验证和时间步长无关性验证；

5、步骤3：利用经无关性验证后的热力学模型，分别对进气流量、预冷温度和气瓶内径三个参数进行单参数影响分析及多参数耦合量化分析；

6、步骤4：基于步骤3获得的影响规律，筛选满足国标温度限值要求的最优参数组合。

7、进一步的技术方案，在所述步骤1中，所述热力学模型基于以下假设建立：

8、外部环境温度恒定；

9、外壁面对流传热系数恒定；

10、气瓶内部氢气温度和压力分布均匀；

11、碳纤维和高密度聚乙烯的导热系数恒定；

12、进出口边界为可变的质量流量边界；

13、充入的氢气温度恒定；

14、氢气采用真实气体状态参数描述。

15、进一步的技术方案，在所述步骤1中，在对气瓶内部储存的氢气进行热力学分析的过程中，采用外界分析法，其分析的具体内容如下：

16、

17、其中，为表面传热系数；为换热面积；为时间；为进气的质量流量；为出气时的质量流量；为内能变化；为热量交换引起的内能变化；为功量交换引起的内能变化；为质量交换引起的内能变化；为瓶体内氢气温度；为瓶体内表面温度；为进气氢气的比焓；为出气氢气的比焓；

18、以储氢气瓶内部氢气为控制体，建立质量守恒方程与能量守恒方程；

19、控制体内氢气密度随时间的变化由定质量充放气过程决定：

20、

21、其中，为控制体体积，单位m3；为氢气质量流率，充注时>0，排放时<0；

22、控制体内氢气比内能的变化由两部分贡献：其一是充放气过程中流体携带的内能输运；其二是氢气与瓶体内表面间的对流换热量；能量守恒方程写为：

23、

24、其中，为流入/流出氢气的比焓，满足牛顿冷却定律：

25、

26、其中，为氢气与内表面间对流换热系数；为内表面积；为氢气温度；为瓶体内表面温度。

27、进一步的技术方案，在所述步骤1中，控制体的状态更新遵循热力学状态方程，将实时更新的氢气密度与氢气比内能输入refprop专业热力学数据库，通过氢气的高精度状态方程反解得到实时比焓、实时温度和实时压力：

28、

29、

30、

31、其中，表示调用refprop专业热力学数据库的函数。

32、进一步的技术方案，在所述步骤1中，高压储氢气瓶的瓶体为多层复合材料结构，分为i层，共有i+1个温度节点，各层间的热量传递遵循傅里叶导热定律，第n层的换热量为：

33、

34、其中，为第n层热阻，为第n个节点的温度，n=1时，为瓶体内表面温度，n=i时，为瓶体外表面温度；

35、各温度节点对应的变化由以下公式得到

36、

37、

38、

39、其中，为第n个节点代表的控制体的质量，为第n个节点代表的控制体的比热，为瓶体外表面与环境间的对流换热量，满足牛顿冷却定律：

40、

41、其中，为外表面与环境间对流换热系数，为外表面积，为瓶体外表面温度，为环境温度；

42、每一层的热阻值依据以下公式进行计算：

43、

44、在热传导分析中，r1为圆筒壁热阻，r2为球壳热阻，和分别表示圆筒壁的外壁面直径和内壁面直径，和分别代表球壳的外壁面半径和内壁面半径，为材料的导热系数，为圆筒壁沿轴向的长度；

45、并联后的总热阻r满足r=1/(1/r1+1/r2)。

46、进一步的技术方案，在所述步骤2中，时间步长无关性验证包括：在相同模型条件下，对比不同时间步长的模型计算结果，选取误差满足要求且计算量最小的时间步长作为模型计算时间步长；

47、所述网格无关性验证包括：在相同模型条件下，对比不同网格层数的模型计算结果，选取温度曲线变化趋于稳定且计算量最小的网格层数作为模型网格划分方案。

48、进一步的技术方案，在所述步骤3中，利用经无关性验证后的热力学模型，分别对进气流量、预冷温度和气瓶内径三个参数进行单参数影响分析；

49、进气流量影响分析：在保持预冷温度和气瓶内径不变的条件下，分别设置进气流量为不同取值进行仿真计算，分析进气流量对充气阶段温升速率、峰值温度和充气时间的影响；

50、预冷温度影响分析：在保持进气流量和气瓶内径不变的条件下，分别设置预冷温度为不同取值进行仿真计算，分析预冷温度对充气阶段温升和制冷能耗的影响；

51、气瓶内径影响分析：在保持进气流量和预冷温度不变的条件下，分别设置气瓶内径为不同取值进行仿真计算，分析气瓶内径对充气阶段温升速率和放气阶段低温问题的影响。

52、进一步的技术方案，在所述步骤3中，多参数耦合量化分析包括：

53、双参数耦合分析：分别对进气流量-预冷温度、进气流量-气瓶内径、预冷温度-气瓶内径三组参数组合进行双参数耦合分析，通过改变两个参数的取值组合，量化各组合对气瓶内最高温度、最低温度和压力变化的影响；

54、三参数协同调控分析：对进气流量、预冷温度和气瓶内径三个参数进行三参数协同调控分析，通过改变三个参数的取值组合，系统量化各组合对气瓶内温压特性的影响。

55、进一步的技术方案，在所述步骤4中，国标温度限值包括充气阶段最高温度不超过85℃、放气阶段最低温度不低于-40℃；最优参数组合的筛选采用以下准则：在保证充气阶段最高温度不超过85℃且放气阶段最低温度不低于-40℃的前提下，优先选择充气时间最短的参数组合。

56、本发明实施例提供的用于高压储氢气瓶充放气循环过程的热力学建模方法，具有以下有益效果：

57、（1）计算精度高：本发明采用refprop专业热力学数据库描述高压氢气物性，克服了理想气体假设在高压下偏差大的缺陷。经网格和时间步长无关性验证后，模型计算误差控制在5%以内。

58、（2）计算效率高：本发明采用集总参数热力学模型替代传统三维cfd精细网格仿真，单次充放循环计算时间大幅缩短，克服了cfd仿真耗时数十小时的计算瓶颈。

59、（3）多参数协同优化：本发明建立了进气流量-预冷温度-气瓶内径三参数耦合量化分析体系，突破了现有技术仅分析单一参数的局限，三参数协同调控可使最高温度降低35.4k。

60、（4）工况安全可靠：本发明筛选的最优参数组合可使循环稳定阶段最高温度控制在85℃以内、最低温度不低于-40℃，全面满足国标要求，兼顾加氢效率与储氢运行安全。

61、（5）工程实用性强：本发明为车载储氢气瓶工况设计和加氢站加氢工艺优化提供了完整的理论仿真工具与量化优化方案。