碳纤维全缠绕储氢气瓶快充过程温升机理分析

碳纤维全缠绕储氢气瓶在国内已被大范围使用,气瓶的工作压力主要包括35 MPa和70 MPa,目前加氢站还没有一套科学合理的充气加压程序作为支撑,势必会导致气瓶在日后的充装过程中产生缺陷.综合国内外研究现状,对气瓶快速充装过程的温升机理展开研究,采取数值模拟方式,通过用户自定义功能扩充仿真计算模型,深入分析充装过程,探究不同容积、不同储存压力、不同充装时间的车用储氢气瓶在常温下快速充装过程中温度的变化规律,为今后加氢站及检验检测单位对充装工艺的优化提供理论依据.研究结果表明:气瓶容积越大,充装过程中的平均温度越低,但差异不具有统计学意义;气瓶储存压力越大,充装过程中的平均温度越高甚至局部超出85℃;气瓶充装时间越长,充装过程中的平均温度越低;瓶口采用线性升压方式加压充装的气瓶内平均压力也呈同规律线性增加.

基于ANSYS的储氢气瓶快充温升流热固耦合模拟研究

以某款车用碳纤维全缠绕储氢气瓶为研究对象,基于ANSYS Workbench平台,充分考虑气瓶不同结构层的差异性和温度载荷分布不均匀性,进行了流热固耦合模拟计算分析。首先对气瓶快速充装过程内部气体流场进行三维数值模拟研究其温升规律,然后将流场计算结果加载到气瓶结构层进行稳态热分析,最后将流场及热分析结果均加载到气瓶结构层进行结构静力学分析。结果表明:当充装结束时,气瓶最高温度及碳纤维复合层受到的最大应力均出现在瓶尾封头和筒体的连接处;相较于内压引起的机械应力,温度载荷引起的热应力很小;机械应力与耦合应力数值相差不大,碳纤维复合层的机械应力略小于耦合应力,而铝合金内胆层由于膨胀系数大,温度载荷引起的压缩热应力抵消了一部分机械应力,使得耦合应力小于机械应力。

基于检测支柱偏移的球罐屈曲分析

选取5 000 m^(3)的在役丙烷球罐为研究对象,分别建立了单根支柱底部周向偏移和径向偏移的有限元模型。在ANSYS Workbench平台进行了屈曲响应分析,掌握了支柱底部周向偏移和径向偏移的极限值以及球罐在支柱偏移下的屈曲变形规律。在此基础上,根据检测的支柱偏移数据,对球罐进行了屈曲分析。结果表明:在所研究的偏移量范围内支柱底部径向外偏移未出现屈曲;支柱底部径向内偏移的极限值比底部周向偏移的极限值大,支柱底部径向内偏移的屈曲变形量比底部周向偏移量小,说明球罐支柱底部在周向偏移时更容易屈曲,在支柱底部径向外偏移最不易屈曲;球罐的屈曲变形最大位置在拉杆处,该球罐在支柱底部径向内偏移和周向偏移下的屈曲响应均符合分支屈曲的特点。

风载荷作用下球形储罐的流固耦合分析

以某石化企业的丙烷球形储罐为研究对象,在ANSYS Workbench平台上充分考虑球罐的几何完整性和风载荷分布不均匀性,进行流固耦合计算分析。具体方法是先对球形储罐的外部空气流场进行三维数值模拟得到绕流流场分布,然后将流场计算结果加载到球形储罐外表面,进行结构静力学分析。结果表明:风在球形储罐附近发生绕流时,流速先增大后减小,并在球壳和支柱背风面形成漩涡,流动分离的位置随风速增大向后推迟;风流在球形储罐迎风面形成正压区,在非迎风面形成负压区,球壳迎风面风压呈同心圆环形对称分布,由中心向边缘风压逐渐减小;球形储罐在风载荷作用下的应力较设计工况下的显著增大,经应力线性化分析和强度校核,该球形储罐满足标准要求。

支柱沉降作用下球形储罐的屈曲研究

选取一台5000 m^(3)的在役丙烷球罐为研究对象,球罐的充装率为90%。分别建立了单根沉降、蝶形沉降和两根沉降3种情形下的屈曲有限元模型,在ANSYS Workbench平台进行了屈曲响应分析,得到了沉降的极限值,掌握了球罐在支柱沉降下的屈曲变形规律。研究表明:单根支柱沉降的极限值最大,蝶形沉降的极限值最小,球罐在蝶形沉降下更容易屈曲;球罐在单根沉降时屈曲变形最小,在蝶形沉降时屈曲变形最大,球罐在蝶形沉降下屈曲变形更严重;在球罐屈曲分析的前期阶段主要是小幅度的弹性变形,而当沉降量超过极限值后,球罐将产生较大幅的屈曲变形,且屈曲变形最大的位置在拉杆处;球罐在3种不均匀沉降下的屈曲响应均符合典型的分支屈曲的特点。

反应釜注液流动仿真的SRP项目探索实践

反应釜广泛应用于化工等领域,在充注反应原料过程中,因内部液体产生晃荡,容易造成反应釜罐体失稳等安全问题,因此反应釜的安全充注成为工业生产的重要课题。以本科生研究项目(SRP)为依托,研究反应釜充注液体过程中的流体动力学问题。建立了内径为3200 mm的反应釜计算模型,利用网格划分软件ICEM对流体计算域进行结构化网格划分,通过流体仿真软件Fluent对充注过程进行流动数值模拟,研究了反应釜充注过程中内部液体的体积分数、流速分布以及罐体受力随时间的变化规律,并制作了有关的教学动画课件。仿真结果表明,液体注入反应釜瞬间,对壁面产生较大冲击力,在注液流速为v_(0)=5 m/s(注液口内径250 mm)的情况下,沿注液方向壁面所承受的流体力可达2500 N,液体瞬时流速可达8.62 m/s。随着反应釜充注的进行,罐内液体晃荡现象逐渐减弱,垂直方向壁面受力随罐内液位的增高呈线性增大,在75 s时达到180000 N。

喷砂机模型气固两相流数值模拟及PIV实验验证

喷砂机内部颗粒撞击壁面是其失效的主要原因.为研究喷砂机内颗粒的运动规律,使用EDEM-Fluent耦合方法计算分析喷砂机模型内部气固两相流动特点.采用粒子图像测速(PIV)法,测量喷砂机内部颗粒运动情况以验证模型的有效性.结果表明:高速气体进入喷砂机后,在内部轴截面上产生一个带动底部颗粒运动、随时间逐渐稳定的主要漩涡,水平面上形成一个位于几何中心的漩涡;颗粒在入口气体的带动下,被吹起的高度逐渐稳定,运动速度是邻近气流速度的8%~10%;模拟结果和实验结果的局部误差和整体误差均小于10%,表明耦合计算方法是切实可行的.

碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数变化规律的研究

为研究充装完成后的碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数随时间的变化规律,以氢气为工质,选取了3种常用规格的车用储氢气瓶(27 L、52 L和135 L)进行传热计算。对于气瓶内的氢气采用饱和均质模型;对于气瓶中的各隔层采用多层稳态热传导的结构模型。根据饱和状态下的热平衡条件以及热力学关系,计算得到了气瓶内氢气温度、压力以及气瓶碳纤维缠绕层温度随时间的变化规律。计算结果表明:气瓶容积越大,充装完成时刻的氢气温度以及碳纤维缠绕层温度越高;静置过程中氢气温度以及碳纤维缠绕层温度均呈同趋势缓慢下降,且气瓶容积越大,下降的幅度越小,碳纤维缠绕层温度变化小于氢气温度变化。氢气压力在充装完成时刻均为70 MPa,气瓶容积越大,静置过程中氢气压力下降速度越小。