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《武汉理工大学》 2011年
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碳基储氢材料多孔结构中传输与吸附的多尺度模拟

叶锋  
【摘要】:碳基材料吸附储氢因其安全可靠和高效成为当前储氢研究的热点。碳基储氢材料多孔结构中传输和吸附是吸附储氢研究的重点。本文以储氢罐系统为研究对象,设计了多尺度模拟软件集成平台,实现了系统和宏观两个尺度吸附储氢模型的关联,从两种尺度模拟了储氢罐系统的充气、休眠、放气和休眠等过程,研究氢气在活性炭多孔介质区域的传输和吸附过程。 首先,本文对常见的吸附等温线模型Herry定律、Virial方程、Lanmuir方程和D-A方程进行了比较,分析了其应用的范围,确立了D-A吸附等温线模型作为本文模拟计算的基础;根据多孔介质中传输和吸附的特点,给出了多孔介质中质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程中对应的质量源项、能量源项和动量源项;在此基础上,根据D-A方程为吸附模型和气体状态方程等热力学模型,建立了储氢罐系统的系统模型和宏观模型。 其次,在Comsol with Matlab下,本文实现了Simulink、Fluent、Comsol和Origin四种软件的集成,建立了多尺度模拟软件集成平台,完成模拟工作的前处理,求解和后处理。通过分析Matlab GUIDE生成的M文件、Fluent journal文件、Comsol M文件和Origin对象调用的结构和特点,分别实现了多尺度模拟软件集成平台与Simulink、Fluent、Comsol和Origin之间的调用和数据交互的接口,从而实现了四种软件的有效集成。 第三,本文利用Winsock网络通信机制,分别在Fluent的UDF和SimulinkC文件S函数中编写客户端程序和服务端程序,实现了Fluent和Simulink的协同仿真;以Simulink M文件S函数为载体,将Comsol求解模型嵌入在S函数中,实现了Comsol和Simulink的协同仿真;并给出了储氢罐吸附储氢Simulink与Fluent、Simulink与Comsol模拟中的关联及其实现过程。然后,以本文所建立的多尺度模拟软件集成平台为工具,分别调用Simulink、Comsol和Fluent软件对填充活性炭的储氢罐进行了充气、休眠、放气和休眠等阶段的模拟,求解罐内的温度、压力、绝对吸附密度和吸附质量等,并把三种模拟结果进行对比,与实验结果进行验证。结果表明:Simulink、Fluent、Comsol模拟结果和实验结果能较好的吻合,本文所建立的系统模型和宏观模型都可以较好地描述储氢罐的充气和放气过程;系统模型和宏观模型的模拟均能显示氢气的质量平衡,39%微孔孔隙所储存的吸附相氢气的质量大于49%的活性炭床孔隙所储存的气相氢气质量(两者之差约2.5g),表明了吸附储氢的潜在优势。 最后,分别从储氢罐模型尺寸、充气质量流率、放气质量流率和有效热导率等参数出发,研究其在充气和放气过程中的影响,结果表明:在相同的容积下,提高储氢罐的表面积、增加有效热导率可降低储氢罐的温度,有利于提高储氢罐的吸附量;在储氢罐的压力和温度允许范围内,在充气质量一定的情况下,充气质量流率越大,充气时间越短,会导致储氢罐的压力和温度峰值的增大,但提高了储氢罐系统的吸附速率;放气的质量流率越高,脱附速率越高。
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