基于Fluent的復(fù)合材料氣瓶火燒熱響應(yīng)數(shù)值模擬

孫宇恒 馮 輝 郭永智 趙冠熹

①西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院 ②舜宇浙江光學(xué)有限公司 ③中材科技（成都）有限公司 ④西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

為掌握該類型高壓儲氫瓶的火燒失效機理，促進氣瓶火燒安全設(shè)計發(fā)展；利用ANSYS有限元分析軟件建立火燒氣瓶三維數(shù)值模型，并在Fluent軟件中對工作壓力35MPa容積74L的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合材料儲氫氣瓶在火災(zāi)環(huán)境中的熱響應(yīng)進行分析。通過建立了局部火燒和整體火燒兩個燃燒場，模擬得出復(fù)合材料氣瓶在不同火勢、不同受熱部位下氣瓶的氣瓶表面的熱通量分布、燃燒場的溫度分布規(guī)律以及氣瓶內(nèi)部氫氣的熱響應(yīng)規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)，局部火燒下復(fù)合材料儲氫瓶外表面最高溫度為475.7℃，整體火燒下氣瓶表面最高溫度為654.1℃；氣瓶內(nèi)氫氣的溫度、壓力在前50s內(nèi)沒有明顯變化，之后逐漸增大，最后呈線性升高趨勢，而整體火燒下瓶內(nèi)氫氣的溫升、壓升速度要明顯高于局部火燒。

目前，我國高壓氣態(tài)儲氫瓶主要為金屬內(nèi)膽/碳纖維/環(huán)氧樹脂全纏繞的Ⅲ型儲氫瓶。經(jīng)過近年發(fā)展，我國已能獨立生產(chǎn)充裝壓力70MPa的大容積Ⅲ型儲氫瓶，并已在大型運載工具上得到初步應(yīng)用[1]。但鑒于氫氣易燃易爆、燃燒熱值和爆炸能量高的顯著特點，面臨火燒危害時的安全性成為限制其普及應(yīng)用的一大問題[2]。我國在這方面起步較晚，目前仍面臨以下挑戰(zhàn)：金屬內(nèi)膽/碳纖維/環(huán)氧樹脂全纏繞制備的高壓儲氫瓶，其結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，連續(xù)碳纖維增強復(fù)合纏繞層與金屬內(nèi)襯，在基礎(chǔ)強度、熱致力學(xué)性能退化、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、耐火性等方面均存在巨大差異，如何通過數(shù)值模擬與火燒破壞試驗相結(jié)合的方法，明確復(fù)合材料高壓儲氫瓶火燒下的熱流傳遞和力學(xué)性能劣化過程及機理，是改進和提升復(fù)合材料高壓儲氫瓶火燒安全的重要基礎(chǔ)[3]。為保證復(fù)合材料高壓儲氫瓶火燒安全，本文以工作壓力35MPa，容積74L的Ⅲ型儲氫氣瓶為研究對象，通過建立復(fù)合材料儲氫氣瓶局部火燒和整體火燒的數(shù)值模型，對不同火燒條件下復(fù)合材料氣瓶的熱響應(yīng)進行模擬。得到了氣瓶各部分和瓶內(nèi)氫氣的溫度、壓力變化規(guī)律，以及氣瓶的應(yīng)力應(yīng)變情況。對掌握該類型高壓儲氫瓶的火燒失效機理，促進該類型儲氫瓶火燒安全設(shè)計發(fā)展，進而推動儲氫裝備和氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。

1 氣瓶火燒有限元分析

1.1 CFD模型建立

本文研究的對象為工作壓力為35MPa，容積為74L的碳纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣瓶總長度為930mm，氣瓶內(nèi)徑為354mm，筒身段長度為620mm。氣瓶筒身段的內(nèi)膽壁厚為8mm，碳纖維增強層厚度為12mm，玻璃纖維保護層厚度為3mm。并且內(nèi)膽材料為6061-T6鋁合金，氣瓶內(nèi)膽、碳纖維增強層，玻璃纖維保護層的材料的密度及導(dǎo)熱系數(shù)如表1[4]所示。

表1 氣瓶材料的密度及導(dǎo)熱系數(shù)

為模擬火焰對復(fù)合材料氣瓶的影響，根據(jù)氣瓶火燒試驗要求[5]氣瓶充裝空氣至公稱工作壓力，氣瓶水平放置在火源上部100 mm處，氣瓶軸線與火源軸線一致，火源中心與氣瓶中心一致，并建立了3m×3m×1.5m的區(qū)域作為火焰燃燒的計算域。其三維模型如圖2所示。燃燒場底部平面為空氣進口，氣瓶下方為燃料進口管道。燃料進口設(shè)置有12×15mm和24×15mm兩種組合方式，用于模擬局部火燒和整體火燒下氣瓶的響應(yīng)情況。采用ANSYS中的Mesh模塊對模型進行網(wǎng)格劃分，整個計算區(qū)域單元數(shù)為1559567，節(jié)點數(shù)為308753。

圖2 燃圖燒場的三維模型

1.2 邊界條件設(shè)置

通過FLUENT軟件對燃燒進行模擬時，涉及到燃料及空氣的流動、燃料的燃燒、氣瓶及瓶內(nèi)氣體傳熱等過程，本文選取甲烷作為燃料；湍流模型選擇模型可滿足模擬精度要求并節(jié)省大量計算資源；選擇P1輻射模型用于模擬輻射傳熱；甲烷燃燒選擇非預(yù)混燃燒模型[6]。燃料進口設(shè)置有12×15mm和24×15mm兩種組合方式，用于模擬局部火燒和整體火燒下氣瓶表面熱量分布。燃料進口和空氣進口均設(shè)置為速度入口，燃料輸入速度為0.5m/s，空氣流入速度為0.3m/s。計算域四周以及燃料進口壁面設(shè)置為絕熱壁面，計算域上方為壓力出口。計算域初始溫度為25℃，初始壓力為大氣壓力[7-8]。

燃燒穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)束后，通過FLUENT的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能將復(fù)合材料氣瓶表面的熱流密度導(dǎo)出，施加在氣瓶外表面作為氣瓶傳熱模擬的邊界條件。計算時采用RNG模型模擬氣瓶內(nèi)部氣體的流動，輻射模型選擇S2S輻射模型；氣瓶不同結(jié)構(gòu)的接觸面、內(nèi)膽與氫氣的接觸面設(shè)為耦合面；氣瓶以及瓶內(nèi)氫氣初始溫度設(shè)為25℃，初始壓力為35MPa[9]。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 燃燒模擬結(jié)果

燃燒模擬結(jié)束后，氣瓶局部火燒和整體火燒計算域的溫度分布云圖如圖3a、b所示。局部火燒中火焰的最高溫度為1615℃，整體火燒中火焰的最高溫度為1510℃，符合甲烷燃燒的溫度范圍。圖4a、b是氣瓶在局部火燒和整體火燒下表面熱流密度分布。從圖中可以看出，氣瓶表面的熱流密度分布不均勻這是由于熱流密度受火焰和溫度的影響，距離火焰近的部分熱輻射和熱對流強度較大氣瓶的吸熱越多[9]。

圖3 氣瓶火燒溫度云圖

圖4 氣瓶熱流密度分布

2.2 傳熱模擬結(jié)果

復(fù)合材料氣瓶傳熱模擬結(jié)束后，氣瓶內(nèi)氫氣平均溫度、壓力隨時間變化規(guī)律如圖5、圖6所示。從曲線可以看出，瓶內(nèi)氫氣的溫度與壓力火燒模擬的前數(shù)十秒內(nèi)沒有發(fā)生明顯變化，之后溫度壓力開始上升，最后呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。在傳熱過程中整體火燒下氣瓶的溫升、壓升速率要顯著高于局部火燒。

圖5 瓶內(nèi)氫氣平均溫度-時間曲線圖

圖6 瓶內(nèi)氫氣壓力-時間曲線

圖7、圖8是局部火燒與整體火燒下氣瓶各界面的最高溫度隨時間的變化情況，可以看出，不論是局部還是整體，整個火燒過程中氣瓶各部位的溫度始終呈現(xiàn)上升趨勢，但由于氣瓶最外部的玻璃纖維保護層的導(dǎo)熱系數(shù)極小，所以大部分熱量都被玻璃纖維保護層隔絕在氣瓶表面，因此氣瓶表面的溫度顯著高于氣瓶內(nèi)部溫度，溫度差距達到了300℃以上；從氣瓶各界面的溫度響應(yīng)時間來看，氣瓶外表面的溫度幾乎在火燒模擬開始的瞬間就升高到了200℃以上，而碳纖維增強層表面的溫度升高趨勢則要稍微延后且平緩很多，氣瓶內(nèi)膽表面的溫度響應(yīng)最為落后，在火燒開始的初期幾乎沒有變化，隨后才開始緩慢升高，碳纖維增強層表面溫度與氣瓶內(nèi)膽表面溫度只相差幾十?dāng)z氏度。在氣瓶外表面纏繞一定厚度的玻璃纖維可以有效地提升氣瓶在火災(zāi)環(huán)境中的安全性。

圖7 局部火燒下氣瓶各界面最高溫度變化

圖8 整體火燒下氣瓶各界面最高溫度變化

3 結(jié)論

氣瓶壁由外到內(nèi)溫度逐漸降低，且氣瓶外表面溫度要遠高于內(nèi)部溫度，這是因為氣瓶最外部的玻璃纖維保護層的導(dǎo)熱系數(shù)遠低于金屬材料，說明氣瓶的玻璃纖維外保護層可以在火災(zāi)環(huán)境下對氣瓶起到有效的防護。模擬結(jié)束時，局部火燒下氣瓶表面最高溫度為475.7℃，整體火燒下氣瓶表面最高溫度654.1℃；氣瓶內(nèi)氫氣的溫度、壓力在前50s內(nèi)沒有明顯變化，之后逐漸增大，最后呈線性升高趨勢，而整體火燒下瓶內(nèi)氫氣的溫升、壓升速度要明顯高于局部火燒并且整體火燒下瓶內(nèi)氫氣的平均溫度升高到75℃用時366s，而局部火燒用時558s。今后系統(tǒng)性地開展氣瓶等壓力容器火燒試驗、分析容器失效時間和工作壓力容器火災(zāi)環(huán)境下的安全評價時可優(yōu)先考慮整體火燒環(huán)境。