船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统数值仿真.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 0;修回日期:2 0 2 4-1 0-1 2基金项目:北京市教 育 委 员 会 科 技 计 划 一 般 项 目(KM 2 0 1 9 1 0 0 1 7 0 0 7);国 家 自 然 科 学 基 金(5 2 0 7 6 0 1 5);北 京 市 教 委 科 研 计 划(K Z 2 0 2 1 1 0 0 1 7 0 2 6)。作者简介:兰林柯(1 9 9 8),女,硕士研究生,研究方向为高效低碳能源利用及先进动力设备,E-m a i l:2 0 2 1 5 2 0 0 5 0b i p t.e d u.c n;杜文海(1 9 8 1),男,博士,副教授,研究方向为叶轮机械气动热力学和氢能高效储运,通信联系人,E-m a i l:d u w e n h a i b i p t.e d u.c n。第3 2卷 第1期2 0 2 4年3月北京石油化工学院学报J o u r n a l o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g yV o l.3 2 N o.1M a r.2 0 2 4文章编号:1 0 0 8-2 5 6 5(2 0 2 4)0 1-0 0 2 0-0 5船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统数值仿真兰林柯1,杜文海1,邹 玉1,巩宁峰2,聂连升2(1.北京石油化工学院 机械工程学院氢能研究中心,北京 1 0 2 6 1 7;2.北京海德利森科技有限公司,北京 1 0 2 6 9 9)摘要:相较于高压气态储氢、固态储氢等储氢方式,低温液态储氢具有有效储氢密度大、运输成本低、汽化纯度高和储运压力低等优势,因此对大功率燃料电池而言是最有潜力的一种储氢方式。利用F l u e n t软件对某船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统进行非定常计算,研究了使罐内液氢在给定时间内完全排出所需的最小气氢充注速度。数值模拟结果表明:在高温气氢充注到液氢罐过程中,由于热量聚集导致入口处存在局部高温,氢气进入液氢罐后沿水平方向流动,在重力与壁面作用下向下方流动,通过与罐内低温流体的对流换热作用,引起不同区域内的流体密度发生改变,从而使气氢与液氢分别产生涡旋;随着液氢罐气氢入口流速线性增加,液氢罐排空所需时间减小,但减小幅度随着入口速度的增加而降低。关键词:液氢;燃料电池;数值模拟;两相流动;非定常流动中图分类号:U 6 7 7.2文献标志码:AD O I:1 0.1 9 7 7 0/j.c n k i.i s s n.1 0 0 8-2 5 6 5.2 0 2 4.0 1.0 0 5开放科学(资源服务)标识码:N u m e r i c a l S i m u l a t i o n o f L i q u i d H y d r o g e n S u p p l y S y s t e m f o r H i g h-p o w e r M a r i n e F u e l C e l lL AN L i n k e1,DU W e n h a i1,Z OU Y u1,GONG N i n g f e n g2,N I E L i a n s h e n g2(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g&H y d r o g e n E n e r g y R e s e a r c h C e n t r e,B e i j i n g I n s t i t u t e o f P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g y,B e i j i n g 1 0 2 6 1 7,C h i n a;2.H y d r o s y s(B e i j i n g)T e c h n o l o g y C o.,L t d,B e i j i n g 1 0 2 6 9 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h e d e v e l o p m e n t o f h y d r o g e n e n e r g y i n d u s t r y i s a n i m p o r t a n t m e a s u r e f o r C h i n a t o a-c h i e v e t h e g o a l o f c a r b o n p e a k a n d c a r b o n n e u t r a l i t y,a c c e l e r a t e g r e e n a n d l o w-c a r b o n d e v e l o p-m e n t,a n d c o m p r e h e n s i v e l y i m p r o v e r e s o u r c e u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y.C o m p a r e d w i t h h i g h-p r e s s u r e g a s e o u s h y d r o g e n s t o r a g e,s o l i d h y d r o g e n s t o r a g e a n d o t h e r h y d r o g e n s t o r a g e m e t h o d s,l o w t e m-p e r a t u r e l i q u i d h y d r o g e n s t o r a g e h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h e f f e c t i v e h y d r o g e n s t o r a g e d e n s i t y,l o w t r a n s p o r t a t i o n c o s t,h i g h v a p o r i z a t i o n p u r i t y a n d l o w s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n p r e s s u r e,s o i t i s t h e m o s t p o t e n t i a l h y d r o g e n s t o r a g e m e t h o d f o r h i g h-p o w e r f u e l c e l l s.I n t h i s p a p e r,F l u e n t i s u s e d t o p e r f o r m u n s t e a d y c a l c u l a t i o n s o n t h e l i q u i d h y d r o g e n s u p p l y s y s t e m o f a h i g h-p o w e r m a r i n e f u e l c e l l,a n d s t u d y t h e m i n i m u m g a s h y d r o g e n c h a r g i n g s p e e d r e q u i r e d t o c o m p l e t e l y d i s-c h a r g e t h e l i q u i d h y d r o g e n i n t h e t a n k w i t h i n a g i v e n t i m e.T h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t d u r i n g t h e p r o c e s s o f h i g h-t e m p e r a t u r e g a s h y d r o g e n f i l l i n g i n t o t h e l i q u i d h y d r o g e n t a n k,t h e r e i s a l o c a l h i g h t e m p e r a t u r e a t t h e e n t r a n c e d u e t o h e a t a c c u m u l a t i o n.T h e h y d r o g e n e n t e r s t h e l i q u i d h y d r o g e n t a n k a n d f l o w s i n t h e h o r i z o n t a l d i r e c t i o n,f l o w i n g d o w n w a r d u n d e r t h e a c t i o n o f g r a v i t y a n d t h e w a l l,a n d t h r o u g h t h e c o n v e c t i o n h e a t t r a n s f e r w i t h t h e l o w-t e m p e r-a t u r e f l u i d i n t h e t a n k,i t w i l l c h a n g e t h e f l u i d d e n s i t y i n d i f f e r e n t a r e a s,s o t h a t t h e g a s h y d r o g e n a n d l i q u i d h y d r o g e n p r o d u c e v o r t i c e s r e s p e c t i v e l y.K e y w o r d s:l i q u i d h y d r o g e n;f u e l c e l l;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;t w o-p h a s e f l o w;u n s t e a d y f l o w 近年来,随着环境污染、能源短缺等问题日益严重,新能源的利用显得尤为迫切。氢气作为国际公认的可再生能源,具有资源丰富、利用率高、低成本、无污染等优点,其开发利用得到了世界范围内科研人员的高度关注1。目前最具发展前景的储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢等。高压气态储氢对于技术要求较低、充氢放氢速度快。但缺点是体积比容量小,且存有泄漏、爆炸的安全隐患。固态储氢在相同条件下具有存储容量大的优点,但成本高。低温液态储氢虽然具有液化耗能大、易挥发等劣势,但其储氢比重高、运输成本低及汽化纯度高2,因此多应用于航天领域。而在日益严苛的船舶排放污染控制要求的情况下,船舶领域将使用大功率燃料电池作为动力系统,低温液态储氢由于携氢密度大将广泛应用于大功率燃料电池的供氢系统3。很多学者用数值仿真的方法研究了不同充注方式对储氢罐内部流场的影响。针对气相流体,S a n-g e u n R o h等4对液化天然气低温储罐的自然对流进行了数值研究。王洪宇等5利用C F D二维轴对称模型与三维模型分析了船舶燃料电池中高压储氢罐内充注气氢过程中的温度变化及分布情况,结果表明,储氢罐在充注过程中会产生较大的温升并且重力对壁面温度的分布存在较大影响。朱康6采用C F D模拟研究了饱和氢气充注过程中对低温储罐罐壁的温度和热应力分布的影响,研究结果表明,在进、出口有径向刚性约束及弹性约束条件下,最大热应力随时间先增大而后逐渐稳定。针对液相流体,F e d o r o v等7研究了低温储罐的不同液氢充注方式对罐内温度的影响,发现从顶部充注比从底部充注能够使储罐内温度分布更加均匀。陈强等8利用F l u e n t软件对卧式液氢罐的复温过程进行了非稳态数值研究,得到了不同充气时刻的贮藏温度和速度分布。针对气液两相流体,M i n o r u T a k e d a等9对液氢罐中气液两相的温度、压力进行了仿真分析,证明罐内氢气的平均压力随平均温度的降低而降低。赵高逸等1 0采用C F D技术仿真研究贮罐内部气液两相流在不同晃动激励下的传热和压降的影响,得出了晃动激励越大传热越多,气相冷凝速度越快的结论。综上所述,对于液氢罐的研究多采用仿真软件对液氢罐的单相流体的温度、传热进行分析,但并未研究气氢充注过程对液氢罐出口流量的影响。笔者对某船用大功率氢燃料电池项目的液氢供氢系统进行了模拟,研究了不同气氢充注速度对液氢罐内部流场和出口流量的影响,以及使液氢在给定时间内排出储罐的最小气氢充注速度。1 储氢罐数学模型1.1 研究对象及网格划分船用液氢罐的结构示意图如图1所示,尺寸参数如表1所示。储氢罐内含有8 8%的液氢和1 2%的气氢,罐内压力为1.3MP a的表压,气氢通过左上端入口流入储氢罐,液氢通过右下端口逐渐排出。为使液氢保持3 0k g/h的流量从出口完全排出,需要研究满足此条件的最小气氢供氢流量。图1 三维液氢罐模型F i g.1 T h r e e-d i m e n s i o n a l l i q u i d h y d r o g e n t a n k m o d e l 表1 液氢罐尺寸参数T a b l e 1 S i z e p a r a m e t e r s o f l i q u i d h y d r o g e n t a n k罐体直径/mm罐体长度/mm氢气入口直径/mm液氢出口直径/mm12 0 028 5 02 52 8为保证模拟准确,对液氢罐进行三维与二维计算。研究在给定时间内,液氢罐内液氢全部排空所需的最小进口氢气流量,由于液氢罐内体积较大,液氢全部排空所需物理时间较长且非定常计算时间步长为0.0 1 s,因此非定常计算所需计算资源和时长较大;同时此三维模型属于轴对称几何,为了提高收敛速度,拟对三维模型的中截面进行研究,这样就将三维模型的仿真简化为二维模型的计算,如图2所示。通过对三维圆柱体与二维中截面的计算得出,保证二维模型中的出口流量在0.3 7 5k g/s即可满12第1期兰林柯等.船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统数值仿真足三维模型的3 0k g/h的流量要求。图2 液氢罐二维网格F i g.2 T w o-d i m e n s i o n a l g r i d o f l i q u i d h y d r o g e n t a n k 利用I C EM软件对液氢罐模型及三维液氢罐进行网格划分,如图3所示,对进口处和出口处进行局部加密。整个流体域采用非结构化网格,模拟采用标准-模型,最小网格质量大于0.7,第1层网格高度满足3 0y+3 0 0,且库朗数小于1,满足计算精度要求。图3 三维模型网格划分F i g.3 T h r e e-d i m e n s i o n a l g r i d o f l i q u i d h y d r o g e n t a n k 1.2 数学模型建立在整个瞬态计算过程中,考虑到液氢罐实际充注气氢的过程影响因素较多,因此在模拟计算前进行一定的简化假设,以保证仿真结果准确:(1)液氢罐始终保持水平放置状态,无晃动影响,考虑氢气和液氢的重力作用;(2)不考虑罐内相变等现象;(3)不考虑液氢储氢罐与外界的换热,同时忽略罐壁厚度,液氢罐为刚体。采用计算流体力学F l u e n t求解器,模型选用VO F模型,采用压力速度耦合的P I S O算法,采取0.0 1 s的时间步长进行仿真。计算的离散方法分别为:标准压力离散;动量方程釆用二阶迎风离散;湍流动能及其耗散率计算方程和能量方程釆用一阶迎风离散;瞬时方程釆用一阶隐式。对F l u e n t数值模型设置如下初始、边界条件:(1)入口设定为速度入口,表压为1.3MP a,温度为2 9 3K;出口设为质量流出口,质量为液氢流速为0.3 7 5k g/s。(2)罐内液氢以及液氢上端氢气具体参数如表2所示,氢气采用真实气体模型。表2 液氢罐内物理性质T a b l e 2 P h y s i c a l p r o p e r t i e s i n l i q u i d h y d r o g e n t a n k相温度/密度/(k gm-3)液氢-2 5 37 0.8罐内氢气-2 3 09.6 7 52 仿真结果分析及讨论主要分析在给定时间内液氢罐内液氢全部排空所需的最小进口氢气流量;由于液氢罐内体积较大,液氢全部排空所需时间为80 6 4 s,同时非定常计算时间步长为0.0 1 s,非定常计算所需时间非常漫长,因此需要采用二维液氢罐来计算液氢排空所需时间。为了更好地监测液氢罐内流场变化,首先通过三维与二维模拟对比,得出流场速度迹线如图4所示。从图4中可以看出,二维液氢罐内流场和三维都很近似,因此二维的速度场可以近似代替三维,这样二维液氢罐内的进、出口速度大小就能近似等于三维流动的进、出速度大小。因此主要分析二维液氢罐的流场变化。图4 三维迹线与二维迹线对比图F i g.4 T h r e e-d i m e n s i o n a l v e l o c i t y v e c t o r d i s t r i b u t i o n 二维仿真过程中液氢质量为2 1 3.0 8k g,出口流量为0.3 7 5k g/s,经计算,排空所用时间为5 6 8s,采用入口速度为0.6 5m/s。t=5 0 s时液氢罐内温度云图分布(流场气液分布如图1 1(a)所示)如图5所示。从图5中可以看出,在整个充注过程中,由于气氢进口温度较高容易在液氢罐入口造成热量聚集,但空间范围较小,除入口附近存在一定的温度变化,罐内温度均处于低温状态。为更直观地观测罐内流体温度分布,缩小温度为2 04 3K,其温度云图如图6所示。从图6中可22北京石油化工学院学报2 0 2 4年第3 2卷图5 t=5 0s时的温度云图F i g.5 t=5 0 s t e m p e r a t u r e c l o u d d i a g r a m 以看出,高温气氢进入液氢罐,罐内流体温度发生变化,液氢区域在罐体左侧出现小幅度上升,主要是由于进口高温气氢向液氢发生对流传热。图6 2 04 3K温度云图F i g.6 T e m p e r a t u r e c l o u d m a p a t 2 0K t o 4 3K 图7 t=5 0s时刻速度迹线F i g.7 V e l o c i t y t r a c e a t t=5 0st=5 0 s时氢气速度迹线和速度云图分布如图7所示,将迹线速度值缩小为00.1m/s。从图7中可以看出,氢气进入液氢罐后沿水平方向流动,入口处流速较高,随着氢气流动,速度逐渐减小,在到达罐壁后,在重力与壁面作用下向下运动。气氢温度沿水平方向逐渐降低,密度也会发生变化,如图8所示。为更直观地观测罐内气氢密度分布,设置1条高1.1 5m、长2.8 5m的直线,检测所在直线上的密度变化,如图9所示。从图9中可以看出,水平方向上不同位置的密度均有变化,因此形成密度差,气氢区域产生涡旋。同时液氢在与气氢接触后,由于温度差,液氢流体域会产生热对流,导致液氢不同区域的密度不同,从而在液氢区域形成了较为明显的涡旋。为更好地观测流体区域的流动速度,缩小整个速度区域,最大流速设为0.1m/s,如图1 0所示。从图1 0中可以看出,液氢区域出现涡流,但此时液氢的流速很小。图8 密度云图F i g.8 D e n s i t y c l o u d m a p 图9 Y=1.1 5m处密度分布F i g.9 D e n s i t y d i s t r i b u t i o n a t Y=1.1 5m 图1 0 t=5 0 s时的速度云图F i g.1 0 t=5 0 s v e l o c i t y c l o u d i m a g e 为更好监测氢气进入液氢罐后罐内流场变化,研究了t分别为5 0、2 5 0、5 0 0、6 5 0 s时的液氢罐内气液云图分布,如图1 1所示。从图1 1中可以看出,在整个排氢过程中,气液交界面存在轻微晃动,随着气氢的加注,气氢体积逐渐增大,直至液氢全部排出。为监测入口流速对排空液氢时间分布的影响,研究了入口速度为0.4 5、0.5 5、0.6 5、0.7 5m/s时的时间分布图,结果如图1 2所示。从图1 2中可以看出,气氢入口速度越大,排空所需的时间越少,随着入口速度的线性变化,经过曲线拟合计算,图线的斜率差值为0.0 0 030.0 0 04。随着气氢入口速度的降低,液氢体积分数图线变化平缓。32第1期兰林柯等.船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统数值仿真图1 1 流场气液云图变化F i g.1 1 C h a n g e s o f g a s-l i q u i d c l o u d i m a g e i n f l o w f i e l d 图1 2 不同流速液氢体积变化F i g.1 2 C h a n g e s o f g a s-l i q u i d c l o u d i m a g e i n f l o w f i e l d 不同速度下排空时间变化情况如图1 3所示。图1 3 不同速度下排空时间变化情况F i g.1 3 D r a i n t i m e c h a n g e p l o t a t d i f f e r e n t s p e e d s 从图1 3中可以看出,随着气氢入口流速增加,液氢罐排出所需时间呈现一种非线性减小的变化趋势。3 结论针对某船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统进行了数值模拟仿真,利用F l u e n t软件对液氢储罐流场进行非定常计算,结果表明:(1)在1.3MP a的压力和2 0温度下,当进口气氢以0.6 5m/s的速度流入储氢罐时,液氢罐的出口流量刚好能满足设计要求;(2)在气氢充注到液氢罐过程中,由于热量聚集导致入口处存在局部高温,氢气进入液氢罐后沿水平方向流动,速度逐渐降低,在重力与壁面作用下向液氢区域流动;(3)当高温氢气流入液氢罐,通过与罐内低温流体的对流换热作用,会引起不同区域内的流体密度发生改变,从而使气氢与液氢分别产生涡旋,但液氢涡旋周围的液体流速很小。(4)当速度入口线性增大时,液氢排出时间曲线斜率逐渐增大,速度越小图线越平缓。参考文献1 HO S S E I N I S E,WAH I D M A.H y d r o g e n f r o m s o l a r e n e r g y,a c l e a n e n e r g y c a r r i e r f r o m a s u s t a i n a b l e s o u r c e o f e n e r g yJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f E n e r g y R e s e a r c h,2 0 2 0,4 4:4 1 1 0-4 1 3 1.2 AHL UWA L I A R,K P E NG J K.D y n a m i c s o f c r y o g e n i c h y d r o g e n s t o r a g e i n i n s u l a t e d p r e s s u r e v e s s e l s f o r a u t o-m o t i v e a p p l i c a t i o n sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H y d r o-g e n E n e r g y,2 0 0 8,3 3(1 7):4 6 2 2-4 6 3 3.3 刘易明,王甫,王珺,等.燃料电池船舶应用形式及其关键技术J.船舶工程,2 0 2 1,4 3(3):1 8-2 6,3 3.4 R o h S,S o n G.N u m e r i c a l s t u d y o f n a t u r a l c o n v e c t i o n i n a l i q u e f i e d n a t u r a l g a s t a n kJ.J o u r n a l o f m e c h a n i-c a l s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y,2 0 1 2,2 6:3 1 3 3-3 1 4 0.5 王洪宇,袁裕鹏,童亮,等.船用储氢罐充注过程数值模拟研究J.武汉理工大学学报,2 0 2 2,4 4(3):2 5-3 1.6 朱康,厉彦忠,王磊,等.饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究J.西安交通大学学报,2 0 1 4,4 8(5):1-7.7 F E D O R OV V I,L UKYANOVA E A.F i l l i n g a n d s t o r a g e o f c r y o g e n i c p r o p e l l a n t c o m p o n e n t s c o o l e d b e-l o w b o i l i n g p o i n t i n r o c k e t t a n k s a t a t m o s p h e r i c p r e s-s u r eJ.C h e m i c a l a n d P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g,2 0 0 0,3 6:5 8 4-5 8 7.8 陈强,陈虹,刘岩云,等.液氢贮罐复温过程的非稳态数值研究J.低温工程,2 0 1 8(6):1 4-1 9,3 1.9 M I NOR U T,H I R OVUK I N,KA Z UMA M,e t a l.S i m u l a t i o n o f l i q u i d l e v e l,t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e i n s i d e a 2 0 0 0 l i t e r l i q u i d h y d r o g e n t a n k d u r i n g t r u c k t r a n s p o r t a t i o nJ.P h y s i c s P r o c e d i a,2 0 1 5,6 7:2 0 8-2 1 4.1 0赵高逸,陈叔平,谢高峰,等.晃动对液氢贮罐传热和压降的影响研究J.低温与超导,2 0 2 0,4 8(1 2):3 0-3 6.42北京石油化工学院学报2 0 2 4年第3 2卷