高压氢气减压过程研究及减压系统优化

【摘要】：氢燃料电池车辆中氢气通常储存在高压罐中,为了使氢燃料电池车辆实现更高的续航里程,储罐压力不断提高,而燃料电池最优运行压力为仅为0.1～0.3MPa,因此对减压系统性能提出了更高的要求。高压氢气在减压系统中能得到有效减压,是氢气燃料电池车辆安全、平稳的关键,所以对高压氢气减压阀门的研究很有必要。本文在充分考虑高压状态下氢气的强压缩性对热物性参数的影响的情况下,建立了可压缩高压氢气流动的三维计算流体动力学(CFD)模型。模型通过Peng-Robinson(PR)真实气体状态方程精确预测高压流体热物性,经过与实验数据对比,证明该模型可以准确的模拟高压氢气在减压系统复杂结构中的真实流动状态。本文针对高压氢气在多种减压阀内减压做出的研究内容和成果主要有:(1)在对氢气的热物性验证中发现,高压状态下,理想气体状态方程会高估氢气的密度。这直接导致在对单级特斯拉阀门氢气减压的数值模拟过程中,相同减压效果下,特斯拉阀门比传统孔板减压阀门的最大流速下降73%、马赫数下降72%,意味着特斯拉阀门有更小的噪音,且氢气在特斯拉阀门中流动更平稳;特斯拉阀门两级间距的减小,会出现后一级阀门主通道氢气回流阻碍前一级阀门主通道氢气流动的现象,两级间距越小这种阻碍作用越强,从而可以获得更大的压降;特斯拉阀门的单向导通性,是由于每级阀门弯曲通道流体对直通道流体的阻碍作用,且压降会随级数的增加呈线性增加趋势。(2)成功将特斯拉阀门引入传统的穿孔板结构减压阀门,新的特斯拉式孔板阀门压降相对于与传统直流通道孔板减压阀门提升了238%。特斯拉式二级孔板减压阀,在小的入口质量流量下,具有较高的压降性能。相同质量流量情况下,氢气在出现超声速流动之前,特斯拉式孔板减压阀门内的最大马赫数要比孔板结构减压阀门的高。出现超声速流动后,两者最大马赫数基本相同。增加并联特斯拉阀门的组数可以有效的降低最大马赫数。特斯拉式孔板减压阀门由于结构的不对称性,氢气在孔道流出后,在下壁面形成贴壁效应,上壁面有涡流产生。阀门入口质量流量在增加到一定值,孔道出口会有膨胀波产生。氢气流过膨胀波,会形成一个小的扇形低压、低温、高速区。(3)将特斯拉式孔板结构减压阀门与套筒式结构减压阀门进行组合,构成多级高压氢气减压阀门。阀门开度较小时,一级阀芯的减压效果占比高,其次是特斯拉式孔板减压阀门,多级套筒的压降性能较低。阀门开度增加,特斯拉式孔板减压阀门在整个减压过程中的作用变大,两级套筒的减压效能会提升,一级阀芯由于开度的增加,流道面积增加,减压效能降低。对多级高压氢气减压阀门的流动状态研究发现,阀芯孔道射流出氢气的相互冲击,以及出口阀室流动方向的改变,使得阀芯、出口阀室、特斯拉式孔板减压阀门的入口段出现不同程度的涡流。涡流的出现可能会引起阀门振动、噪声、流动受阻等情况出现,可以通过改变阀门流动方向、增加多级套筒与一级阀芯的压降性能来改善这种情况的出现。