林玉娟，王志偉，高 東

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 2.中科(廣東)煉化有限公司，廣州 湛江 524076)

隨著壓縮天然氣汽車的迅速發(fā)展，作為其關(guān)鍵零部件之一的壓縮天然氣氣瓶也備受關(guān)注。目前，車用的壓縮天然氣氣瓶都朝著輕便化、強(qiáng)壓化、高安全性和低成本等趨勢(shì)發(fā)展，因而復(fù)合材料CNG氣瓶在國(guó)內(nèi)外越來越受到重視。與全金屬氣瓶相比，復(fù)合材料CNG氣瓶具有使用壽命較長(zhǎng)、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕便、安全性高等優(yōu)勢(shì)。但是溫度對(duì)復(fù)合材料有很大的影響，而且復(fù)合材料的粘合劑用樹脂作為原材料，當(dāng)出現(xiàn)溫度太高的情況時(shí)，纖維纏繞層(簡(jiǎn)稱纖維層)與內(nèi)膽層容易發(fā)生脫離，使得容器的負(fù)荷能力受到影響，直接影響氣瓶的安全使用【1】。天然氣氣瓶的充裝是一個(gè)溫升過程，為了防止充裝過程中氣瓶?jī)?nèi)溫度太高，需要研究其快速充裝過程，觀測(cè)快充時(shí)的溫度變化。此外，天然氣加氣站在計(jì)量天然氣時(shí)用的是質(zhì)量流量計(jì)，而為了使充裝質(zhì)量達(dá)到規(guī)定值，氣瓶往往充得很滿，由于氣瓶?jī)?nèi)的溫升作用，充裝壓力將會(huì)上升，這可能致使氣瓶的充裝壓力超出額定值，導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生【2】。因此，對(duì)于氣瓶的安全快速充裝而言，復(fù)合材料CNG氣瓶的充氣溫升研究具有實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了氣瓶快充時(shí)溫升問題的相關(guān)理論與試驗(yàn)研究。Kenneth J Kountz【3】從理論角度對(duì)天然氣氣瓶的快速充裝溫升問題進(jìn)行了分析，假設(shè)氣瓶?jī)?nèi)部的溫度均勻分布，研究結(jié)果表明在20 MPa下用5 min將氣瓶充滿，溫升不會(huì)高出 30 ℃；Eric Shipley【4】進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明在實(shí)際充裝時(shí)，氣瓶溫升會(huì)略低一些。王愷【5】對(duì)復(fù)合材料氣瓶充放氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了其實(shí)際充放氣數(shù)值模擬模型的真實(shí)性。劉伯運(yùn)【6】為得到充氣過程中的溫變規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真研究，得到仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果大概相同的結(jié)論。以上研究間接表明天然氣氣瓶溫升效應(yīng)確實(shí)存在于氣瓶的快充過程，同時(shí)也表明了仿真模擬的真實(shí)性。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于金屬內(nèi)膽CNG氣瓶的研究較多，但對(duì)于復(fù)合材料纏繞的塑料內(nèi)膽CNG氣瓶的充氣溫升研究很少，因此本文將對(duì)全塑氣瓶的充氣過程進(jìn)行溫升模擬，且將改變氣瓶外層傳熱結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果與之進(jìn)行對(duì)比，為CNG氣瓶的對(duì)比研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 理論分析

圖1所示的模型為氣瓶快充天然氣的簡(jiǎn)化模型，其中A為高壓儲(chǔ)氣罐，B為車載復(fù)合材料CNG氣瓶。依據(jù)模型分析，在復(fù)合材料CNG氣瓶充氣過程中，天然氣溫升的主要原因有：壓縮天然氣做功，因此溫度升高；在填充時(shí)，高壓天然氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，致使溫度上升【7】。

PA、TA分別為高壓儲(chǔ)氣罐中的壓力、溫度；Q為散熱量；PB1、TB1、mB1分別為復(fù)合材料CNG氣瓶充氣前的壓力、溫度、質(zhì)量；PB2、TB2、mB2 分別為復(fù)合材料CNG氣瓶充氣后的壓力、溫度、質(zhì)量。

由于氣瓶實(shí)際充裝過程中，隨著時(shí)間的推移，邊界層的溫度變化較為復(fù)雜，熱量的傳遞以熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)為主，內(nèi)壁面的傳熱量隨著充氣的進(jìn)行在不斷變化，而且內(nèi)壁傳熱量對(duì)其溫度的影響較大，所以用瞬態(tài)的數(shù)值模擬對(duì)氣瓶充裝過程進(jìn)行模擬較為合適。

2 數(shù)值模型

基于以上情況，本文利用 Fluent17.0 軟件對(duì)工作壓力 30 MPa復(fù)合材料CNG氣瓶的充氣過程進(jìn)行仿真模擬研究，對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的氣瓶?jī)?nèi)溫度分布與變化以及充氣時(shí)氣瓶的壁面溫變狀況進(jìn)行分析；之后在氣瓶纏繞層與內(nèi)膽間加入導(dǎo)熱介質(zhì)，與其進(jìn)行模擬對(duì)比分析。

2.1 數(shù)值模擬的基本假設(shè)

由于實(shí)際模型的繁雜性，氣瓶充氣的仿真模擬需要進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，因此有以下假設(shè)：

1)在充氣之前，假定儲(chǔ)氣罐內(nèi)的溫度、氣瓶?jī)?nèi)初始溫度、周圍環(huán)境溫度一致；

2)假設(shè)氣體重力和浮力不計(jì)，且在內(nèi)部氣體流動(dòng)呈軸對(duì)稱性；

3)假定纖維層為均質(zhì)性材料，纖維層導(dǎo)熱系數(shù)為恒定值；

4)假定氣瓶壁面與外界空氣傳熱方式為自然對(duì)流，則取外壁傳熱系數(shù)為定值；

5)在充氣時(shí)，假定充裝氣體基本為甲烷(CH4)氣體，天然氣中的其他成分不計(jì)；

6)假設(shè)在充裝過程中，儲(chǔ)氣罐與CNG氣瓶連接管道以及節(jié)流閥的能量損耗不計(jì)。

2.2 控制方程

氣瓶充氣時(shí)的氣流實(shí)際流場(chǎng)是中強(qiáng)旋流湍流場(chǎng)，湍流具有不可控性，隨著時(shí)間與空間的改變，流體內(nèi)的各種物理性質(zhì)也隨之改變。從宏觀來看，氣體流動(dòng)傾向于穩(wěn)態(tài)，但并非為穩(wěn)態(tài)，故本文將氣瓶充氣過程按非穩(wěn)態(tài)處理。Fluent軟件是比較強(qiáng)大的求解器，其結(jié)合控制方程、湍流模型等可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流體流動(dòng)的數(shù)值模擬【8】。

2.2.1 連續(xù)性方程

(1)

式中：ρ——密度；

t——時(shí)間；

ux、uy、uz——分別為x、y、z方向上速度分量。

2.2.2 動(dòng)量方程

(2)

式中：p——靜壓力;

ui——軸向的速度分量;

uj——徑向的速度分量；

xi——軸向位移;

xj——徑向位移;

Tij——應(yīng)力張量。

2.2.3 湍流方程

在充氣時(shí)，壓縮天然氣氣體的流動(dòng)是湍流，所以湍流模型是否適宜很大程度上影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對(duì)充氣時(shí)內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，認(rèn)為選用Realizablek-ε模型較為合理【9】。該模型比平板和圓柱射流發(fā)散比率模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性高。Realizablek-ε模型的表述如下【8】：

湍流耗散率ε和湍動(dòng)能k的運(yùn)輸方程為：

+Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

式中：μ——垂直于重力的分量；

μt——湍流速率；

σk、σε——分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl 數(shù)；

Gk——層流產(chǎn)生的湍動(dòng)能；

Gb——浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；

YM——在可壓縮湍流中過度的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；

Sk、Sε——分別為自定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)；

C1、C1ε、C2、C3ε——常量；

ν——流體平行于重力的速度分量。

在Fluent中默認(rèn)值為C1=1,C1ε=1.44，C2=1.9，C3ε=1.0，σk=1.0，σε=1.2。

2.2.4 能量方程

(5)

式中：E——?dú)怏w能量；

keff——有效熱導(dǎo)率；

Cp——定壓比熱容；

Prt——湍流的普朗特?cái)?shù)；

T——溫度；

(τij)eff——偏應(yīng)力張量。

2.2.5 真實(shí)氣體方程

由于氣體溫度升高的最主要原因是氣體壓縮做功，氣體分子間作用力對(duì)氣體與內(nèi)壁面強(qiáng)對(duì)流傳熱有影響，因此，30 MPa壓力下充裝時(shí)內(nèi)部高壓氣體也不能被看作理想氣體，為模擬充裝時(shí)的氣體熱力狀態(tài)，必須采用一種真實(shí)氣體模型。本文采用真實(shí)氣體Redlich-kwong方程，詳細(xì)表述如下【10】：

(6)

式中：R——普適氣體常量；

νm——摩爾體積,νm=1/ρ；

a、b——兩個(gè)物理常數(shù)。

其中a和b的表達(dá)式為：

(7)

(8)

式中：Tc——甲烷的臨界溫度；

Tc——甲烷的臨界壓力。

2.3 壁面材料屬性

采用80L、30 MPa的工況進(jìn)行快速充裝溫升分析，其壁面各層材料屬性如表1所示。

表1 氣瓶壁面材料物性參數(shù)

2.4 求解相關(guān)設(shè)置

氣瓶選擇壓力為基礎(chǔ)的求解器，具體為耦合式求解器(PBCS)，即同時(shí)求解壓力和動(dòng)量方程。充氣過程由于氣瓶?jī)?nèi)部氣體隨著時(shí)間變化，故采用瞬態(tài)求解，選擇壓力入口邊界，且隨時(shí)間線性變大。用UDF編譯其入口條件，方程為:

Pin=2 000 000+233 333.333·t

(9)

式中：Pin——入口壓力。

由于氣瓶充裝前其內(nèi)部均會(huì)有殘余壓力，故本文中氣瓶初始?jí)毫υO(shè)為2 MPa，起始溫度293 K，加注速率為66.7 g/s，2 min充裝完畢，終止壓力30 MPa。氣體方程選擇為真實(shí)氣體方程，湍流模型選擇為Realizablek-ε模型，由于充氣過程涉及傳熱，故開啟能量方程。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣瓶溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

圖2～圖4分別展示了氣瓶在充氣到10 s、30 s、120 s時(shí)的溫度云圖。由圖2～圖4看出：在充氣過程中氣瓶瓶尾的封頭段小塊區(qū)域基本分布了高溫區(qū)域，而氣瓶的進(jìn)口位置則分布了低溫區(qū)，進(jìn)口處的溫度分布呈現(xiàn)羽流狀；在充氣前期(t=10 s)，氣瓶進(jìn)口溫度比內(nèi)部最高溫度低42 K，且前期內(nèi)部氣體溫度上升的速率快；氣瓶充氣30 s時(shí)，最高溫度區(qū)域面積減小，氣瓶?jī)?nèi)溫度分布層次更加分明，但高溫區(qū)保持不變；充氣結(jié)束(t=120 s)時(shí)，內(nèi)部氣體的溫度分布狀況與30 s時(shí)基本一致，由此可知，在充氣后期氣體基本穩(wěn)定流動(dòng)。

圖2 10 s時(shí)的溫度云圖

圖3 30 s時(shí)的溫度云圖

圖4 120 s時(shí)的溫度云圖

圖5展示了內(nèi)部氣體在充裝過程中的最高溫升和平均溫升。由圖5可以看出：隨著充裝時(shí)間的增長(zhǎng)，內(nèi)部氣體溫度持續(xù)升高，但是與時(shí)間成非線性關(guān)系；氣瓶加注時(shí)的前20 s，氣瓶?jī)?nèi)氣體的溫升速率偏快，最高溫度與平均溫度分別比充氣前上升了約52 K和40 K。

圖5 充裝過程內(nèi)部氣體平均溫度和最高溫度變化曲線

從加注時(shí)間20 s至加注結(jié)束時(shí)的120 s，內(nèi)部氣體的溫升速率快速降低，最高溫度與平均溫度分別比充氣20 s時(shí)上升了6.14 K和5.25 K。以上現(xiàn)象表明，充氣初期合理地控制的充裝速率可以使氣瓶?jī)?nèi)部溫度有一定幅度的下降。

在加注過程中，氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和氣瓶壓縮做功是氣瓶?jī)?nèi)部溫升的主要因素。在充氣初期，氣瓶?jī)?nèi)壓與外界壓力相差較大，氣體充裝速率快，因此充氣初期氣瓶?jī)?nèi)部溫升速率快。在充氣后期，氣瓶?jī)?nèi)壓與外界壓力差逐漸變小，使得氣體的加注速率變慢，并且氣瓶?jī)?nèi)溫度極高，熱量大部分都通過壁面擴(kuò)散到外界環(huán)境當(dāng)中，所以充氣末期氣瓶?jī)?nèi)部溫升速率較慢。

3.2 氣瓶壁面溫升的分析

在氣瓶加注過程中，按照相關(guān)規(guī)定，氣瓶壁面的許用溫度為80 ℃。因?yàn)闅馄勘诿娴闹饕Y(jié)構(gòu)是玻璃纖維纏繞層和內(nèi)膽層，若壁面溫度太高，纖維層的強(qiáng)度和使用壽命勢(shì)必會(huì)受到影響，從而使復(fù)合材料氣瓶使用的危險(xiǎn)性提高。因此在模擬過程中，在氣瓶纖維纏繞層與內(nèi)膽層的交界面選取了4個(gè)點(diǎn)，對(duì)壁面溫升狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖6為選取的壁面監(jiān)控點(diǎn)位置示意。

圖6 氣瓶壁面監(jiān)控點(diǎn)位置示意

圖7是監(jiān)控點(diǎn)在加注過程中的溫升曲線。由圖7中的曲線可知，在充氣結(jié)束時(shí),其瓶尾段壁面溫度最高，但在充氣初期，氣瓶筒身中段壁面的溫升速率比瓶尾處壁面的溫升速率高。監(jiān)控點(diǎn)2(0.5,0.166)與監(jiān)控點(diǎn)3(0.75,0.166)位于氣瓶筒身中段(監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)單位為m)，且兩點(diǎn)位置都處于氣瓶回旋流的區(qū)域，在充氣的初期，加注速率高，氣流回旋與壁面摩擦，產(chǎn)生了強(qiáng)制對(duì)流現(xiàn)象，所以氣瓶筒身中段壁面的溫升速率快。在充裝時(shí)，內(nèi)部氣體受到壓縮，密度上升，導(dǎo)致其流動(dòng)速率變小，從而使得強(qiáng)制對(duì)流產(chǎn)生的熱量變少，進(jìn)而引起筒身中段壁面的溫升速率降低。監(jiān)控點(diǎn)4(0.95,0.166)位于瓶尾，這一監(jiān)控點(diǎn)氣體流速極小，接近于零，故瓶尾處的對(duì)流可以看作是自然對(duì)流，因此充裝初期氣瓶筒身中段的溫升速率高于瓶尾的溫升速率。隨著加注過程的進(jìn)行，氣體高溫區(qū)一直分布于氣瓶的尾部，且內(nèi)部氣體溫度不斷升高，瓶尾部分內(nèi)外的溫差持續(xù)加大，導(dǎo)致傳熱速率也在持續(xù)升高，致使充氣結(jié)束時(shí)在瓶尾區(qū)域出現(xiàn)壁面溫度的峰值。

圖7 氣瓶壁面監(jiān)控點(diǎn)溫升曲線

氣瓶纖維纏繞層與內(nèi)膽層在充氣時(shí)的平均溫升和最高溫升曲線如圖8所示。從圖8的曲線可以看出：氣瓶的壁面溫升和充氣時(shí)間成非線性關(guān)系；充氣結(jié)束后，纖維纏繞層與內(nèi)膽層的最高溫度沒有超過氣瓶的許用溫度80 ℃(353.15 K)；在充氣前期，纖維纏繞層的溫升速率較低，隨著充氣的進(jìn)行，其溫升速率提高，但最高溫升與平均溫升相差較大，內(nèi)膽層的溫升速率有所下降。

圖8 氣瓶壁面平均溫升和最高溫升曲線

從圖8中還可看出：纖維纏繞層的最高溫升速率與平均溫升速率相差較大。由此可知，纖維纏繞層溫度呈現(xiàn)不均勻分布，這是由于復(fù)合材料層偏低的熱傳導(dǎo)率導(dǎo)致的。隨著充氣的進(jìn)行，氣體密度逐漸變大，流速隨之下降，因此對(duì)流系數(shù)變小，進(jìn)而使得氣體溫升速率降低。氣體溫升速率急速下降也導(dǎo)致了內(nèi)膽層溫升速率的下降。

3.3 導(dǎo)熱膠泥的應(yīng)用

因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)極低，導(dǎo)致氣瓶無法通過熱傳導(dǎo)迅速把熱量擴(kuò)散出去，氣瓶中的熱量傳遞只能是被通過密封于內(nèi)膽與纖維層間空氣的對(duì)流傳熱實(shí)現(xiàn)，所以會(huì)出現(xiàn)以下情況：

1)傳熱效果差，易使內(nèi)膽出現(xiàn)缺陷。由于氣瓶中的熱量不易散發(fā)到空氣中，因此內(nèi)膽的溫度可能達(dá)不到所要求的水平，這就可能會(huì)使內(nèi)膽長(zhǎng)時(shí)間受熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)缺陷。

2)傳熱效果差，易使內(nèi)膽與纖維纏繞層之間產(chǎn)生分層現(xiàn)象。氣瓶的內(nèi)膽層與纖維纏繞層是貼緊但分離的一個(gè)狀態(tài)，纖維層的內(nèi)壁依附于內(nèi)膽層上，二者之間幾乎沒有粘合力。

3)受熱面不均勻，易使結(jié)構(gòu)改變。由于熱量在瓶?jī)?nèi)的不均勻分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部位的受熱程度不同，使得氣瓶各部位變形量不同，如果長(zhǎng)時(shí)間積累，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形狀產(chǎn)生大的改變。

解決普通散熱問題可采用導(dǎo)熱膠泥。導(dǎo)熱膠泥俗稱導(dǎo)熱泥或?qū)崮z，是以硅膠為基體，填充以多種高性能陶瓷粉末制成的類似于橡皮泥狀的一種導(dǎo)熱黏土。導(dǎo)熱膠泥具有導(dǎo)熱率高、可壓縮性強(qiáng)、可塑性高、抗老化、耐高溫、耐輻射、絕緣等優(yōu)良性能，并且在-50 ℃～200 ℃的溫度下可長(zhǎng)時(shí)期保持膏狀。將其放置于內(nèi)膽與纖維纏繞層之間的空隙處，使導(dǎo)熱膠泥層代替原來的空氣層，可在很大程度上擴(kuò)大內(nèi)膽與纖維纏繞層間的傳熱面積，同時(shí)使傳熱方式由原來的熱輻射變?yōu)闊醾鲗?dǎo)。高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膠泥可以將氣瓶中的熱量迅速傳到外界環(huán)境中，從而提升內(nèi)膽與纖維纏繞層間的傳熱效率，確保散熱要求。導(dǎo)熱膠泥的使用對(duì)氣瓶的安全快速充裝具有實(shí)用價(jià)值。

依據(jù)對(duì)氣瓶壁面溫升狀況的分析，纖維纏繞層與內(nèi)膽層的最高溫度雖然均沒有超過氣瓶的許用溫度80 ℃(353.15 K)，但是內(nèi)膽層的最高溫度已經(jīng)與許用溫度十分接近，為了使氣瓶的安全性更高，需在氣瓶的壁面中加入導(dǎo)熱膠泥，加速壁面?zhèn)鳠帷１敬文M采用JM-250有機(jī)型導(dǎo)熱膠泥，其對(duì)金屬和非金屬具有較強(qiáng)的附著力。由于導(dǎo)熱膠泥的粘接強(qiáng)度較高，由導(dǎo)熱膠泥與金屬和非金屬之間的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力足以被導(dǎo)熱膠泥與其之間的結(jié)合力克服，因此僅需將導(dǎo)熱膠泥涂抹在內(nèi)膽與纖維纏繞層之間即可。涂抹效果如圖9所示。

圖9 加入導(dǎo)熱膠泥后氣瓶簡(jiǎn)化的幾何模型

設(shè)置同樣的模擬條件，并將導(dǎo)熱膠泥的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為10.5 W/(m·K)。對(duì)加入導(dǎo)熱膠泥后的氣瓶再次進(jìn)行充氣模擬，在氣瓶壁面選取同樣的監(jiān)控點(diǎn)對(duì)充氣過程中壁面溫升情況進(jìn)行監(jiān)控。通過監(jiān)測(cè)得到了新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫升曲線和壁面溫升曲線。

圖10為加入導(dǎo)熱膠泥后的監(jiān)控點(diǎn)溫升曲線。從圖10中可以看出：4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的整體溫升速率有所降低，可能是有導(dǎo)熱膠泥層之后,散熱速率加快，導(dǎo)致了監(jiān)控點(diǎn)的溫升速率變慢；并且圖中監(jiān)控點(diǎn)位置的最高溫度均低于未加導(dǎo)熱膠泥層時(shí)，這表明導(dǎo)熱膠泥對(duì)擴(kuò)散氣瓶快速充裝時(shí)產(chǎn)生的熱量起到了一定的促進(jìn)作用。

圖10 加入導(dǎo)熱膠泥后壁面監(jiān)控點(diǎn)溫升曲線

圖11為加入導(dǎo)熱膠泥后壁面平均和最高溫升曲線。從圖中11可知：在充氣后期，內(nèi)膽層溫升速率較之前有所上升，并且在充氣過程中溫升速率變化不大。纖維層平均溫升速率與最高溫升速率基本一致，且較之前平均溫升與最高溫升的差值變??；充氣結(jié)束時(shí)，內(nèi)膽層與纖維層的平均溫度和最高溫度均較之前有所下降。在充氣過程中，內(nèi)膽層溫升速率較為穩(wěn)定，這是因?yàn)榧恿藢?dǎo)熱膠泥后，氣瓶的散熱速率增大，充氣前期導(dǎo)熱膠泥層快速擴(kuò)散掉了內(nèi)膽層的高溫，使內(nèi)膽層溫度升高不明顯，溫升速率一直保持穩(wěn)定，所以在充氣后期其溫升速率較之前有所升高。加入導(dǎo)熱膠泥后，復(fù)合材料層的熱導(dǎo)率升高，使得纖維層的平均溫升與最高溫升差值變小，且由于溫度擴(kuò)散加快，在充氣結(jié)束時(shí)，纖維層平均與最高溫度均有所降低。

導(dǎo)熱膠泥層的加入使得內(nèi)膽層最高溫度較之前有所下降，一定程度上增加了氣瓶充裝的安全性，也使得纖維層溫度升高速率較為穩(wěn)定、纖維層與導(dǎo)熱膠泥層不會(huì)因?yàn)闇夭钸^大而發(fā)生剝離，從而延長(zhǎng)氣瓶的使用壽命。

3.4 模擬可靠性驗(yàn)證

對(duì)文獻(xiàn)【11】中的試驗(yàn)氣瓶進(jìn)行充氫模擬，并與文獻(xiàn)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模擬的正確性和可靠性。該文獻(xiàn)中的試驗(yàn)高壓氫氣瓶為Ⅲ型氣瓶，容積為74L。建立與本文模型相同假設(shè)的模型，其起充壓力為9.43 MPa，終止壓力為35 MPa，充氣時(shí)長(zhǎng)38 s，選擇壓力入口邊界，并且為更加貼合文獻(xiàn)試驗(yàn)，選擇壓力擬合曲線，用UDF方程編譯，即

Pin=-11 800t2+1 117 200t+9 380 500

(10)

仿真模擬與試驗(yàn)進(jìn)口壓力對(duì)比如圖12所示,仿真模擬與試驗(yàn)的平均溫升對(duì)比如圖13所示。由圖13可見，氣瓶平均溫度隨著時(shí)間的推移逐步上升，上升速率逐漸緩和，且仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相符，得到的結(jié)論相同，最大誤差6 K，在允許范圍內(nèi)。上述結(jié)果表明，本文的氣瓶充氣溫升數(shù)值模擬較為準(zhǔn)確。

圖13 仿真模擬與試驗(yàn)的平均溫升對(duì)比

4 結(jié)論

為對(duì)氣瓶快充溫升現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)工作壓力為30 MPa的復(fù)合材料CNG氣瓶建立了快充過程的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行研究，研究結(jié)果如下：

1)在充裝的整個(gè)過程中，氣瓶瓶尾的封頭段基本分布了高溫區(qū)域，而進(jìn)口位置則分布了低溫區(qū)，進(jìn)口處的溫度分布呈現(xiàn)羽流狀；

2)氣瓶?jī)?nèi)部氣體溫度隨著充裝的進(jìn)行在持續(xù)上升，但是與時(shí)間不成線性關(guān)系；

3)在充氣前期，纖維層的平均溫升和最高溫升速率較低，隨著充氣進(jìn)行，纖維層最高溫升的速率有明顯提高，而纖維層平均溫升的速率提升幅度較低，同時(shí)，內(nèi)膽層的溫升速率小幅降低；

4)氣瓶的壁面溫升和充氣時(shí)間成非線性關(guān)系；

5)加入導(dǎo)熱膠泥層之后，內(nèi)膽層與纖維層的平均溫升速率與最高溫升速率都保持相對(duì)穩(wěn)定，且在充氣結(jié)束時(shí)平均溫度與最高溫度均較之前有所降低。