【摘 要】
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针对全球面临的能量短缺以及环境污染问题,氢燃料汽车是目前各国积极研究的主要应对方案之一。氢燃料汽车普遍采用重容比小、承压能力高的复合材料储氢瓶进行储氢。为满足氢燃料汽车的高续航能力,复合材料储氢瓶内的填充氢气压力高达3570MPa。由于氢气的高压、自燃性和易爆性以及复合材料的可燃性等问题,载有高压复合材料储氢瓶的氢燃料汽车存在严重的安全隐患。为降低复合材料储氢瓶在事故中发生失效的风险,对复合材料储
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针对全球面临的能量短缺以及环境污染问题,氢燃料汽车是目前各国积极研究的主要应对方案之一。氢燃料汽车普遍采用重容比小、承压能力高的复合材料储氢瓶进行储氢。为满足氢燃料汽车的高续航能力,复合材料储氢瓶内的填充氢气压力高达35~70MPa。由于氢气的高压、自燃性和易爆性以及复合材料的可燃性等问题,载有高压复合材料储氢瓶的氢燃料汽车存在严重的安全隐患。为降低复合材料储氢瓶在事故中发生失效的风险,对复合材料储氢瓶在火灾条件下的耐火性能进行研究至关重要。针对当前研究存在的问题,本文搭建了一种基于多重区域、多物理现象的实时双向耦合共轭传热模型,用于研究复合材料储氢瓶在火灾条件下的传热特性。使用大涡模拟方法对瓶外火灾计算区域进行模拟。在复合材料缠绕层、高密度聚乙烯内胆和瓶内高压氢气三个计算区域分别建立了基于有限体积法的三维导热方程。复合材料缠绕层的导热方程中考虑了复合材料的高温热解和热解气的对流及冷却作用,并采用了依赖于复合材料成分和温度的可变物性。通过某商用Ⅳ型储氢瓶的池火火灾试验,对本文开发的共轭传热计算程序进行了验证。使用经过验证的计算程序,对复合材料储氢瓶在火灾条件下的外表面热通量、外表面温度、内部温升、复合材料热解进程等特性开展了数值研究。计算结果表明:储氢瓶外表面热通量具有显著的时间瞬态性以及空间分布不均匀性;高密度聚乙烯内胆在外部热负荷的作用下极有可能发生融化,导致内部高压氢气泄漏;复合材料储氢瓶所受外部对流换热作用不可忽略;考虑复合材料的热解反应可提高储氢瓶的瞬态传热预测精度。最后本文研究了储氢瓶的安装高度、储氢瓶复合材料缠绕层厚度、隔热涂层等关键参数对储氢瓶耐火性能的影响,初步分析得到储氢瓶安装高度越低所受池火火焰冲击越小、增加复合材料缠绕层厚度可避免高密度聚乙烯的融化、最外层添置8 mm碳气凝胶隔热层可显著增强储氢瓶耐火性能等结论,相应提出增强现有储氢瓶耐火性能的具体措施。
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