氢泄漏稳定扩散场数值模拟与回归建模研究

研究了室外无风环境下高压储氢容器泄漏稳定扩散问题。首先应用组分传输模型以及计算流体力学软件FULENT的Realizable湍动能-耗散率(k-ε)模型对泄漏扩散过程进行模拟和数值仿真,得出了泄漏口附近稳定扩散对称面氢气浓度分布图。在此基础上,对仿真获得的扩散浓度数据,采用依次针对射流方向和射流垂直方向进行回归分析的方法,建立了10MPa压力储氢容器漏孔直径为1mm时泄漏稳定扩散场的参数模型。结果表明,数值模拟计算与理论预测的流场基本吻合,而稳定扩散场的参数模型反映了数值仿真结果,并具有一定的推广能力。     

高压氢气泄漏扩散数值模拟

氢气作为未来能源的载体前景十分广阔，随着氢气的广泛应用，高压氢气的泄漏事故的产生将不可避免。本文基于FLUENT软件的物质传输与反应模块建立了输氢管道、储氢罐泄漏扩散的模型，提出了研究氢气泄漏扩散的数值模拟方法。通过模拟求解得出了氢气含量在模拟区域的分布等结果。对结果进行分析，得到了氢气泄漏后的扩散特性。研究结论可以为处理高压氢气泄漏提供一定参考。     

加氢站高压低温氢气泄漏扩散数值研究

为了明确加氢站发生高压氢气泄漏后形成可燃区域的分布特性,进行了某加氢站中的35 MPa和70 MPa加氢机发生泄漏事故的数值模拟。研究了泄漏孔径和氢气预冷温度对稳态可燃区域分布形态和体积的影响。计算结果表明,70 MPa加氢机泄漏形成的可燃区域体积约为35 MPa加氢机的两倍。泄漏孔尺寸对可燃区域体积有非常显著的影响。随着预冷温度的降低,射流边界层的气流速度降低,氢气质量分数增大,且后者对稳态可燃区域体积的影响更大,尤其在发生中孔泄漏时,随着氢气预冷温度从300 K降低至240 K,35 MPa加氢机泄漏形成的可燃区域体积从5 590 m³增加到16 835 m³,增长率为201.16%,同时可燃区域的形态从“平面”转换到“羽状”。     

高压复合储氢罐用储氢材料的研究进展

氢能因来源广、无污染、热值高等特点成为解决能源问题的重要方案。随着燃料电池技术的发展,氢能在车载方面的应用得到进一步拓宽,但氢气的加注、存储问题成为限制氢能汽车发展的瓶颈之一。实现氢气安全高效的存储是氢能规模化应用的关键。目前主要的储氢方式有高压气态、低温液态、固态。通过增加氢气压力和提高容器材料的比强度,可有效提高气态储氢系统的质量储氢密度,但由于气体分子间作用力的影响,高压气态储氢的体积储氢密度较低。同时过高的氢压对安全储氢罐的设计和成本也是一大挑战。通过加压、降温液化氢气实现的液态储氢拥有理想的质量储氢密度和体积储氢密度,但保存液态氢对设备要求十分苛刻,且液化氢气所需能耗为氢燃烧热值的40%,得不偿失。固态储氢方式将氢以原子、离子的形式存储于氢化物中,因此固态储氢材料的体积储氢密度可观,且材料吸/放氢条件温和,安全性高,但固态储氢材料的质量储氢密度不占优势。高压复合储氢罐将高压储氢技术与固态储氢材料相结合,同时拥有气态储氢与固态储氢的优势,是实现安全高密度储氢的有效途径。通过气-固复合的储氢方式,可有效提升高压储氢罐的体积储氢密度,减小储氢罐体积,降低充氢压力,提高安全性。而发展在高压条件下具有良好充/放氢特性的储氢材料是提升高压复合储氢罐性能的关键。TiCr2基、ZrFe2基AB2型合金是主要的高压储氢合金,对它们的研究集中在通过利用不同原子半径、电子结构的合金元素进行A侧和/或B侧元素替代,实现对合金平台压、容量、吸放氢动力学性能的有效调控。但TiCr2基、ZrFe2基储氢合金的质量储氢密度仍然偏低,相比之下,NaAlH4与AlH3具有高的储氢密度,是潜在的高压储氢材料。通过纳米化、掺杂催化剂等手段能够有效降低NaAlH4的脱氢温度,提高其循环稳定性;通过球磨、改善溶剂等方法可提升AlH3的合成产率、改善其结晶性。本文简要介绍了高压复合储氢罐的原理及对高压储氢材料的主要性能要求,着重评述了间隙型储氢合金(TiCr2、ZrFe2)、铝基金属氢化物(NaAlH4、AlH3)两类高压储氢材料的结构、性能特点及研究进展。     

稀盐酸预处理结合高压射流方法制备微纤化纤维素的研究

应用稀盐酸预处理结合高压射流超微粉碎方法开展微纤化纤维素制备的实验研究,检测了产物的微观形态、粒径分布、结晶度、热稳定性以及薄膜样品的拉伸性能。实验结果表明,经过稀盐酸预处理和高压射流超微粉碎处理,纤维素微纤束直径从几至几十微米下降至几十至几百纳米,微纤束长度约从百微米级降至微米级;经6%HCL预处理和高压射流处理(130 MPa,1次),样品粒径指标D50从93μm降为14μm。纤维素原样经HCL和高压射流处理后结晶度小幅减小和热稳定性基本保持不变,薄膜样品的拉伸性能极大提高,以6%HCL结合高压射流(130 MPa,4次)处理获得的薄膜样品拉伸性能最优,其拉伸强度平均为20.41 MPa,断裂伸长率平均为7.93%,弹性模量平均为322 MPa。     

基于FLUENT的高压高速螺旋转子泵内部流场分析

目的分析高压高速螺旋转子泵运行过程中的内部流场行为,为高压高速螺旋转子泵的结构优化提供理论依据。方法利用Solid Works建立高压高速螺旋转子泵三维模型,使用FLUENT仿真其在高压高速运行条件下的内部流场,得到压强云图,对比有、无气穴时转速对油膜最大压强和最大负压影响。结果气穴对高压区的啮合压强基本没有影响。齿轮啮合处压强最大值、齿轮啮合处负压最大值及空气在液压油中的占有率随转速的增加而增大,当转速为12 000 r/min时,空气占有率高达12.81%,啮合处的压强可高达37.5 MPa,是出油口压强的1.5倍。结论气穴阻止了部分齿顶间隙的泄漏,对转子稳定性的提高有积极意义。最大压强出现在螺旋转子泵转子的啮合处,这使转子产生了剧烈振动,降低了螺旋转子泵的稳定性。     

TBAC水合物粉储存氢气实验研究

采用激光拉曼光谱法对初始压力9 MPa,初始温度273 K,TBAC浓度3%的条件下,四丁基溴化铵(TBAC)水合物粉与氢气生成的TBAC-H2水合物进行了研究,探讨了氢气在TBAC水合物中对笼的占据情况,计算了其储氢密度,并与相同条件下TBAC水溶液的储氢方法做了比较。结果表明:在TBAC水合物中,氢气只填充在水合物的小笼中。在上述条件下,TBAC水合物粉的储氢密度为0.1%,TBAC水溶液的储氢密度为0.021%,采用TBAC水合物粉储存氢气可以提高水合物的储氢密度,这是因为TBAC水合物粉能够增大边界层的接触面积,从而有利于水合物形成过程中的传质,增加水合物的生成量。     

锂电池涂布烘箱风嘴射流压强分布优化研究

目的烘箱射流风嘴对极片烘干的均匀性和一致性具有重要影响,拟改善干燥过程中由于射流压强分布不均导致的极片烘干质量不良问题。方法利用SolidWorks软件对射流风嘴与极片间的空气流体域进行建模,基于k-ε湍流方程完成热风流场的数值仿真计算,根据流体仿真结果对射流风嘴结构进行优化设计,最后通过实验对数值仿真计算结果进行验证与完善。结果经数值仿真优化后的极片与风嘴间压强分布较改进前有较大提升,在相同的测量位置处,仿真得到的压强差由20 Pa下降到了8 Pa,实验得到的压强差由21 Pa下降到11 Pa,在误差允许范围内,实验结果与仿真结果基本保持一致。结论优化后的射流风嘴完善了射流压强分布,数值仿真研究对风嘴结构的优化设计具有重要的指导意义。     

高压储氢气瓶的长径比和进气口直径对其快充温升及温度分布的影响

在储氢气瓶快充引起温升的理论基础上,考虑到真实气体充气的复杂性,基于真实气体的k-ε湍流模型,建立高压储氢气瓶快速充气温度变化的高精度数值计算模型。用计算流体力学软件Fluent13.0模拟35MPa,120L纤维缠绕铝内胆复合气瓶快速充气情况。为了研究气瓶的长径比和进气口直径对温升和温度分布的影响,分别对长径比为3.6、2.0,进气口直径为16mm、40mm、64mm的气瓶的充气情况进行模拟。数值模拟的结果表明在相同的充气条件下,长径比越小气瓶内最高充气温度越低,瓶内的温度分布也相对越均匀;进气口直径越小瓶内最高充气温度的升幅越小。     

基于Fluent薄带钢桶气体泄漏数值分析

目的探究钢桶气体泄漏的射流流场对桶身激励产生声发射信号的基本原理和特性。方法利用计算流体力学Fluent软件分析钢桶气体泄漏流场状态,介绍钢桶气体泄漏的射流模型及产生机理,利用计算流体力学有限元方法建立数学模型,建立钢桶泄漏的几何模型和边界条件,设置仿真分析的相关参数,得到不同内压、不同漏孔直径和多漏孔情况下的钢桶泄漏仿真结果,并讨论钢桶泄漏气流速度场、压力场等参数的分布情况。结果钢桶发生泄漏时的气流速度对声发射信号起主导作用,内压对气流速度影响较大,孔径和漏孔数量带来的影响较小。结论该分析为探讨钢桶的泄漏机理与声发射激励信号的检测提供了参考。     

混合干涉型分布式光纤天然气管道泄漏检测及定位方法研究

介绍了一种基于马赫-曾德尔和萨格纳克混合干涉仪原理的分布式光纤天然气管道泄漏检测系统.阐述了检测系统的检测原理及泄漏定位方法,在泄漏点距法拉第旋转镜为6 032m处进行了气体管道泄漏检测实验并重复做了20次试验,测试了传感光纤与泄漏点不同夹角对检测系统性能的影响.实验结果表明,该系统可以检测出管道内气体压力为0.3MPa、泄漏孔径为2.5mm的微小泄漏信号并进行定位,平均相对定位误差为1.29%.在40mm的管道外径下,传感光纤与泄漏点夹角在0～180°范围内,检测系统均能检测出泄漏信号并进行定位.     

Failure Analysis of Physical Explosion due to Gas Jetting from High-Pressure Pipeline

Jetting of the combustible gas with high pressure is a prelude to bringing into action of the chemistry explosion of gas cloud. Comparing with the leakage and diffusion of combustible gas and the chemistry explosion effect of gas cloud, the distribution of pressure, temperature and velocity formed by high-pressure gas jetting after the destruction of a pipeline, has been paid less attention to in the related field. There are a few fundamental data on the subject of evaluation of physical explosion parameters. In this paper, a physical explosion case of hydrogen gas transported through a high-pressure pipeline is reported, and a cause analysis of the explosion accident is proposed. Numerical simulation yields the field state parameters and the damage characteristics in the process of high-pressure gas jetting. In front of the leakage gas flow, a shock wave forms due to high-pressure gas jetting. The physical explosion can trigger the combustion of leaked hydrogen gas. Though the pressure rapidly attenuates behind the shock wave, a relatively high velocity is maintained until the control valve in the pipeline system is closed down or the jetting finishes. In the given accident case, the shock wave pressure reaches an order of 1 MPa and the temperature reaches 200–300 °C. This temperatures is obviously less than the igniting temperature of hydrogen gas, 400 °C. But the combustion of leaked gas may be triggered by the spark caused by the impact of instrument plates. Since the instrument plates near the leaking port of pipeline has been damaged already before the leaked gas burns, the electric spark from the line short or the strike spark between metal parts are also completely possible to trigger this combustion.     

不同压力下乙烷喷射火火焰特征研究

为了研究不同喷射压力对乙烷喷射火火焰形态和热辐射范围的影响,进行30、35、50 mm喷嘴口径下乙烷喷射火的引燃试验,通过对喷射火的火焰高度、温度和热辐射强度进行监测,分析不同喷射压力下乙烷喷射火的燃烧规律。结果表明,随着喷射压力和喷嘴口径的增大,火焰高度和温度逐渐升高;在50 mm喷嘴口径、0.20 MPa压力时,火焰最高温度达到1 260 ℃;在30 mm喷嘴口径和0.15、0.20 MPa喷射压力时,距离火焰30 cm处热辐射强度超过25 kW/m²,达到可能致死的辐射量级。     

音速喷嘴喉径对边界层过渡影响研究

滞止压力0.1 ～2.5 MPa下,喉径1.921 ～12.444 mm范围内,21支音速喷嘴的518组流出系数测量结果表明:滞止压力对同一块音速喷嘴流出系数的影响可超过2.3％;2.721 mm音速喷嘴边界层的过渡出现在雷诺数0.48×106;喉径12.444 mm音速喷嘴的边界层过渡出现在雷诺数0.94 ×106,音速喷嘴边界层过渡雷诺数与喉径直接相关.基于测试结果,提出了流出系数与雷诺数之间的经验公式,该公式对流出系数预测偏差小于0.3％.此外,得到边界层过渡雷诺数与音速喷嘴喉径之间的经验公式,该公式外延到日本NMIJ-2013实验工况,预测结果与实验结果具有很好的一致性.     

高压水射流技术粉碎原盐的研究

以原盐为被粉碎研究对象,通过对高压水射流粉碎原盐形貌的观察和成分分析、高压水射流原盐粉碎性能分析,以及高压水射流粉碎原盐各影响因素的正交分析,研究表明高压水射流粉碎技术对原盐具有良好的解理性且粉碎效率高、耗能低。各因素对原盐粉碎效果的影响顺序为:射流压力卤水喷嘴直径、料液混合喷嘴直径、靶面形状。     

Simulation Study on the Typical Influencing Factors for Negative Pressure Wave in Liquid Pipeline Leakage

We conduct simulation study on the typical influencing factors for negative pressure wave in liquid pipeline leakage.We first analyse the liquid pipeline leakage detection based on negative pressure wave method and obtain the essential simulation parameters.Then based on the physical model of pipeline and by introducing leakage boundary condition,we simulate the variation of pressure and flow rate in pipeline after leakage,the influence of leakage scale and leakage position on the pressure and flow rate in ...     

大型压力输水管道泄漏监测方法的试验研究

为研究一种针对大型压力输水管道泄漏问题的在线监测方法,设计了4种不同压力工况(0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa)和4种不同泄漏孔直径工况(2 mm、4 mm、8 mm、14 mm)的管道模型试验。试验通过控制阀门开闭、阀门孔径大小和输水管压力变化来模拟实际运行管道的泄漏状态,并用水声检波器采集泄漏状态和非泄漏状态下的管道噪声数据来比较信号差异。经过分析,推导出了泄漏孔面积、管道压力与管道噪声信号振幅三者的关系。试验结果表明,通过利用水声检波器监测管道噪声变化进而监测管道泄漏是可行的,且泄漏信号主要由偶极子声源组成,泄漏状态下振幅随泄漏孔面积和管道运行压力均呈幂函数的关系增长。     

非接触式眼压计压平角膜过程的数值模型研究

通过采用双向流固耦合的数值仿真技术,建立了一个非接触式眼压计压平角膜过程的三维瞬态数值模型,研究了非接触式眼压计工作时角膜外流场的流动状态以及不同眼压角膜的动态变化过程,结果表明:非接触式眼压计的空气脉冲其流动基本满足射流理论,存在射流核心区、内外边界等特征;空气脉冲外边界角度为8.4°,不随时间变化,内边界角度从4.9°降至4.6°,随时间收窄;角膜压平时间随眼压增大而增大,而其压平直径基本不变,且压平直径为3.2~3.6mm时结果与有关文献中的非接触式眼压计压平直径数据一致。采用研制的模拟人眼配套的溯源装置对不同压平直径的情况进行实验,获得了压平直径过小将导致测量眼压偏大665Pa以上的结论,侧面验证了仿真结果的合理性。     

工艺参数对基于3D打印支撑模具板料双点渐进成形性能的影响

目的 提高基于3D打印支撑模具的板料双点渐进成形的成形性能,获得更好的成形参数。方法 选择工具头直径、加工步长、进给速度3个工艺参数为因素,设计单因素实验,加工支撑模具半径为45 mm的球冠,获得成形破裂角度,得到成形性能较好的工艺参数范围,确定成形性能较高的双点渐进成形方案。结果 通过实验数据对比并综合表面质量、加工时间及成形精度等因素考虑,最佳工艺参数工具头直径为 10 mm（实验选择8, 10, 12 mm）,垂直层进给量为0.5 mm（实验选择0.2, 0.5, 1 mm）,加工进给速度为 400 mm/min（实验选择300~500 mm/min）。结论 一定区域内工具头半径越小,垂直层进给量越大,工具头进给速度越大,板料成形性能越好。