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《浙江大学》 2011年
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铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶耐火及抗疲劳性能研究

别海燕  
【摘要】:氢能作为二次能源以其资源丰富、燃烧值高、经济性好、可再生等优点被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源。其在轿车、客车、摩托车和商业船等交通工具上的应用已经成为焦点,对解决国际上所面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题具有重要意义。 在氢能利用系统中,安全有效的储氢方法是关键。铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶具有承压能力高、质量轻、耐腐蚀性强等优良性能,成为当前车用储氢气瓶的首选。由于车用铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶的储存介质为易燃易爆的氢气,其安全性能是氢燃料电池汽车暂未被公众广泛接受的关键因素之一。 为了加速我国车用铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶的发展和应用,本文在国家重点基础研究发展计划(“973”计划)课题“高密度车载储氢新体系及其安全性预测理论研究”(项目编号:2007CB209706)和国家质量监督检验检疫总局公益性行业科研专项经费项目“车用纤维缠绕高压氢气瓶标准基础研究”(项目编号:10-131)的支持下,对车用铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶的耐火和抗疲劳性能进行了研究。本文的主要研究内容和取得的创新成果为: (1)对车用铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶进行了火烧试验研究,获得了气瓶外表面温度分布及气瓶内部压力变化的相关数据。试验数据为进一步系统地研究铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶的耐火性能奠定了基础。 (2)建立了火烧试验全过程模型,通过与试验结果的比较,验证了该传热模型的准确性。然后利用该模型进行模拟研究,揭示了燃料种类、燃料流量、气瓶充装介质以及充装压力等因素对气瓶内气体温升的影响规律。针对74L、40MPa储氢气瓶火烧试验中燃料种类及相应燃料流量的选择,提出以下建议:当使用甲烷气体为燃料时,其流量需要达到400 NL/min以上,而使用丙烷气体为燃料时,其流量需达到150NL/min以上。此外,研究结果表明气瓶内充装介质对PRD打开前气瓶内气体温升及压力升高的影响非常小,因此认为可使用空气代替氢气作为气瓶的充装介质进行火烧试验,此建议已经被《氢燃料电池汽车全球技术法规》(HFCV-GTR)所采纳。 (3)针对气瓶PRD打开后高压氢气泄放的过程,建立了仿真模型,对氢气高压泄放形成的喷射流场的特性进行了研究,结果表明高压氢气泄放时形成了欠膨胀喷射流。在此基础上建立了氢气高压喷射火焰的计算模型,对喷射火焰的危害距离进行了研究,提出了敞开空间气瓶火烧试验时的安全距离。研究了不同类型挡板对氢气高压泄放和喷射火焰的影响规律,并初步提出了有限空间高压氢气泄放及喷射火焰的防范措施。 (4)对自行研制的车用铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶进行了常温压力循环试验和极端温度压力循环试验。以连续损伤力学理论为基础,推导出氢气瓶疲劳寿命计算式,并利用有限元方法对气瓶直筒段的应力分布进行了模拟。最后结合应力分析结果与疲劳寿命计算式对气瓶的疲劳寿命进行预测,通过对比预测结果与试验结果,证明了所建立的车用铝内胆纤维全缠绕高压氢气瓶疲劳寿命预测方法的合理性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ116.2

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相关作者
>李玮 >别海燕
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