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工業氣體的儲存
在18世紀，當氣體在實驗室生產和研究時，它們通常被儲存在黃牛或豬的皮囊中，或被儲存在專門製作的氣袋中。第一隻壓縮氣體貯槽在1810年前後發明，被用來儲存乾燥的煤氣。到了1850年前後，金屬容器被製成出來用於儲存氫氣以及其他工業氣體。1892年，美國人James Dewar設計並製造了一種絕熱容器，這種絕熱容器叫“杜瓦瓶”，此項發明對儲存和運輸溫度非常低的液態氣體是一個非常大的貢獻。並且在1898年Dewar成功的液化了氫氣。
高壓氫氣儲罐（圖片來源於網絡）
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氣體的充放過程
氣體從高壓容器釋放，或註入低壓容器中會發生狀態的變化。根據流體力學的質量守恆、能量守恆以及氣體狀態方程可以預測壓力，流量以及溫度的變化過程。
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Flow Simulator 在氣體存儲行業的應用
Flow Simulator是Altair 公司一款系統級熱-流體-燃燒模擬模塊，廣泛用於渦輪冷卻、複雜管路系統和熱網絡的快速分析。
- 氣體充放過程的仿真採用一維CFD方法，需要管路，閥門、孔板、分配器、壓力容器等流動單元以及熱網絡法模擬罐體的傳熱過程。
- 具有儲氣罐內腔氣體對流換熱係數模型，準確模擬氣體和容器的換熱過程。
- 具有控制器單元可以模擬閥門的開啟、關閉，監測氣體溫度、壓力、密度變化的動態過程
- 具有NASACEA材料庫以及焦耳-湯姆遜效應*模型，可以模擬真實氣體的熱力學狀態變化
*氣體通過節流閥的過程中，會產生壓力突變，繼而引起溫度發生改變。這種現像被稱為焦耳-湯姆遜效應( Joule-Thomson effect），這一現像對製冷系統以及液化器、空調和熱泵的發展起到了非常重要的作用。例如，這一效應可以用來解釋為什麼當我們從自行車輪胎中釋放空氣時，輪胎氣門會變冷。
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氫能源車的加註案例分析
氫能源車的加註過程通常只要幾分鐘，出於安全考慮，在快充過程中必須保證溫度<85℃ 。
在加註過程中，流量的大小、充氣的壓力、儲氫罐的容積、形狀，以及氫氣和容器內壁面的對流換熱強弱決定了溫升的快慢。
CFD模擬模型如果用單一的換熱係數會產生較大偏差。因此，在Flow Simulator中我們採用前饋控制器(Feed Forward Controller)對流換熱係數(HTC)進行修正，並和實驗結果進行對比。
氫氣加註實驗裝置參數
氫氣加註原理圖
氫氣加註原理圖
氫氣加註一維CFD模型
前饋控制器輸入表格，控制加氫的流量。
氫氣流量隨時間的變化量
在前饋控制器中Gauge Variable是要監測的物理量，比如氣體的密度、粘度、比熱等等，Manipulated Variable是要控制的變量，比如HTC。
在Relation中用Python腳本定義物理量的表達式，無需編譯。
前饋控制器參數設置
Flow Simulator模型時間步長=0.25秒，總時間240秒。
模擬結果和實驗的對比：
HTC隨時間的變化
氣體壓力隨時間的變化
罐內氫氣質量隨時間的變化
溫度模擬趨勢基本和實驗一致，產生微小偏差的原因可能是溫度傳感器的測量誤差以及模擬模型的罐體厚度，材料熱屬性和實驗模型不完全一致造成。
氫氣溫度隨時間的變化
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大型儲氫罐的加註案例
氫氣在長距離輸送過程中，需要考慮管路和環境的換熱。Flow Simulator採用流動網格和熱網絡耦合的方法模擬管內氣體和外部的換熱。
大型儲氫罐的管路圖
計算條件：環境溫度40℃，氫氣預冷到零下33℃，初始壓力2Mpa, 每分鐘升高25Mpa。
Flow Simulator模擬結果和NREL（美國國家可再生能源實驗室）代碼對比：
氫氣溫度、壓力和質量隨時間的變化
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氦氣的充放過程對標案例
模擬氦氣從高壓罐（0.19升）通過節流閥流入低壓罐（0.658升）。初始時刻氣體和罐體為室溫，氣體在壓差下流動，最終達到氣壓平衡。
在氣體快速膨脹過程中，罐體內氣體流速相對較低，但是閥門附近氣流可能達到音速。氣體的傳熱可分為2個階段，第一個階段由於焦耳-湯姆遜效應氣體急速膨脹降溫，儲氣罐固體向內部氣體傳熱。第二階段罐體內的氣流形成自然對流，溫度逐步升高，最終和環境一致達到熱平衡。
搭建一維CFD模型模擬氣體充放過程， Generic Fixed Volume模擬固定容積的罐體，Orifice模擬孔板，採用真實氣體模擬氦氣的熱力學狀態變化。
實驗裝置圖
一維模擬原理圖
實驗裝置參數
一維CFD模型
熱網絡模型的對流單元定義
McAdams對流換熱係數理論公式：
垂直面的對流換熱係數模型
水平面的對流換熱係數模型
一維模擬結果和實驗的對比：
氦氣壓力隨時間的變化，高壓罐=20.79MPa
氦氣溫度隨時間的變化,高壓罐=20.79MPa
可以看到在前3秒氣體溫度的急劇降低
氦氣溫度隨時間的變化,高壓罐=2.17MPa
隨著氣源壓力的降低，初始時刻溫度降低的幅度也減小了
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總結
- 採用Flow Simulator分別模擬了氫氣的快充過程，預冷氫氣的長距離管路輸運，以及壓縮氦氣的充放過程。模擬結果和物理實驗對標達到了理想的精度。
- 壓縮氣體和罐體的傳熱不能採用單一的對流換熱係數，推薦用自定義公式進行修正或McAdams模型。
- 壓縮氣體採用真實氣體模型才能正確模擬熱力學狀態的變化。
- 一維CFD方法計算效率較高，30秒的瞬態充氣過程模擬時間僅需10分鐘。
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