进气口大小与储氢气瓶温升的关联性分析
01研究背景与目标 1. 行业背景可持续发展需求推动能源转型，氢气作为化石燃料的替代方案在汽车领域潜力显著，尤其是商用车（如公交车、卡车）应用逐步增加。氢气在常压下 volumetric energy density 仅为 3.5kWh/m³，远低于汽油的 9000kWh/m³，需压缩至 70MPa（符合 SAE J2601 标准）以提升至 1500kWh/m³，因此高压储氢罐成为当前主流方案。储氢罐按 ISO 19881:2018 分为 I - IV 型，其中 III 型罐（复合材料外壳 + 金属内衬）因轻量化、高压适配性，成为汽车领域重点研究对象，但需满足严格的温度监管要求（填充时内部温度不超过 358K，约 85℃）。2. 研究缺口现有研究对 III 型氢罐进气直径与内部温度的关联理解不足，尤其小尺寸 III 型罐（进气直径与罐直径比显著）对进气直径变化更敏感，影响法规合规性。需明确进气直径（5 - 15mm）、质量流量、预冷措施对罐内温度的综合影响，为下一代车载气态氢法规（如 2025 年修订的 ISO 19881）提供数据支持。3. 研究目标采用计算流体动力学（CFD）量化进气直径（5 - 15mm）对 III 型氢罐（内径 354mm）温度的影响。验证质量流量间线性插值估算温度的可行性，评估预冷措施对温度控制的效果，识别温度热点以优化罐体设计。 02研究方法 1. 数值模拟工具与核心方程工具：使用 Ansys Fluent R23 进行 CFD 模拟，采用 k - ε 湍流模型（经 文献验证适用于氢罐快速填充模拟）。核心控制方程：质量守恒方程：描述流体密度与速度的时间、空间变化关系。动量守恒方程：结合压力、粘性力、重力等，计算流体运动状态。能量守恒方程：考虑热传导、对流及湍流耗散，量化能量传递过程。湍流模型方程：通过 k（湍动能）和 ε（耗散率）计算涡粘性，优化流动模拟精度。2. 几何与材料参数组件 尺寸 / 参数 材料属性 氢罐内部 长度 849mm，内径 354mm，容积 74.3L - 进气管道 伸入罐内 0.67mm，直径 5 - 15mm（d/D 0.0141 - 0.0424） - 金属内衬 厚度 10mm（铝） 密度 2700kg/m³，比热容 902J/(kg・K)，导热系数 238W/(m・K) 复合材料层 厚度 28mm（CFRP） 密度 1570kg/m³，比热容 840J/(kg・K)，导热系数 0.612W/(m・K) 外层防护 厚度 1mm（GRP） 密度 2050kg/m³，比热容 878J/(kg・K)，导热系数 0.133W/(m・K) 3. 边界条件与验证填充过程：压力从 0MPa（t=0s）线性升至 70MPa（t=180s，符合 SAE J2601 填充时间要求），初始进气温度 288K，环境温度 293K。网格验证：采用结构化 2D 网格（17774 个单元），通过网格独立性分析（Celik 误差估计、Richardson 离散化）确保收敛性，整体不确定性 ±0.02%。结果验证：以质量流量 11g/s 模拟结果与 Guo 等（2014）实验数据、Zheng 等（2013）数值结果对比，最终温度差异仅 0.87%，验证模型有效性。 03关键研究结果 1. 进气直径对温度的影响在固定质量流量下，进气直径增大导致罐内最终温度单调上升。例如：质量流量 11g/s 时，直径从 5mm 增至 15mm，温度始终低于 353.5K（符合 358K 限值）。质量流量 13g/s 时，直径 ≥9mm 后温度超标：9mm 时超 0.66K，15mm 时超 3.94K。直径增大使进气流速降低，罐内氢气混合效率下降，压缩产热集中，导致温度升高。2. 质量流量插值的可行性假设：通过 11g/s 和 13g/s 两组质量流量的温度数据，采用线性插值估算中间值（如 12g/s）。验证：对比 12g/s 插值结果与直接模拟结果（直径 5mm、7.77mm、10mm、15mm），两者高度吻合，证明线性插值可有效减少计算成本，快速评估不同质量流量下的温度合规性。 3. 预冷措施的温度控制效果针对 13g/s 质量流量（直径 5 - 15mm），需预冷 3 - 10K（直径越大，预冷量需求越高），可使最终温度降至 358K 以下。消除直径对温度的单调影响，实现不同直径下温度接近恒定（如 5mm 预冷 3K、15mm 预冷 10K，最终温度均合规）。缩小不同直径间的温度差异，降低设计复杂度。 4. 温度分布与热点识别填充结束（t=180s）时，热点集中在进气管道出口上游区域，由边界层分离形成涡流，导致局部热量积聚。进气直径越大、质量流量越高，热点范围越广（如 15mm 直径 + 13g/s 流量时，热点区域显著大于 5mm 直径 + 11g/s 流量）。需优化进气管道出口结构，减少涡流形成，同时强化热点区域的热管理。 04结论与应用价值 1. 核心结论进气直径增大导致 III 型氢罐温度单调上升，需结合质量流量控制合规性。质量流量间的线性插值可高效估算温度，降低 CFD 计算成本。预冷（3 - 10K）是控制温度的关键手段，可抵消直径增大的负面影响。进气出口上游为温度热点高发区，需在设计中重点优化。2. 行业价值为 SAE J2601、ISO 19881（2025 修订版）提供数据依据，明确进气直径、预冷等参数的监管阈值。指导 III 型氢罐进气系统优化（如直径选型、预冷装置集成），提升安全性与合规性。推动高压氢储技术在汽车领域的应用，加速氢能作为可持续燃料的普及。本文参考：Effect of Inlet Diameter on the Temperature of Hydrogen Fuel Tanks for Automotive Applications来源：气瓶设计的小工程师
