大型地面储氢容器充装能力的数值模拟研究：操作条件与尺度效应分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation on the filling capability of large scale vessels for ground hydrogen storage

本文针对高长径比（L/D=21）I型大型地面储氢容器，采用二维轴对称共轭热传递非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方法进行数值模拟，系统研究了初始压力、温度及质量流量对充装性能的影响。研究揭示了高速充注过程中气体温度热点（hot spots）的形成机制，指出操作条件与容器尺度对储氢容量评估的关键作用，为优化储氢系统填充策略提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究重点关注高长径比（L/D=21）I型全金属大型储氢容器的充装能力。数值模拟揭示了在高速充注过程中，气体内部会出现显著的温度热点，但这些热点对容器本体影响有限。气体升温与滞留时间相关，在评估和规划有效填充策略时需考虑由此导致的容量减少。

Methodology

数值模拟采用西门子Starccm+多物理场代码，基于非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程（URANS）进行离散。尽管文献中已有采用先进湍流模型（如k-ω SST尺度自适应方案）的研究，表明其对III/IV型容器具有较高可靠性，但本研究针对更复杂的I型容器采用了经过验证的共轭热传递方法。

High aspect-ratio hydrogen vessel, type I

本研究考察了一个高长径比的全金属（I型）容器模型。该模型设计容量为1170升，长径比L/D为21，设计运行压力高达550 bar。本研究设定的最大充气压力为500 bar。如引言所述，大型容器可能涉及更长的填充时间，因此可能受到更显著的热梯度影响。随着容器长径比的增加，流动行为和热分层现象变得更加复杂。

Conclusions

在当前能源转型背景下，氢能作为能量载体和存储系统可发挥重要作用。仍需开发更有效、可靠的技术。本工作旨在向前迈出一步：（i）预测高压、高长径比（L/D）容器的充装性能；（ii）理解其热流体动力学行为。这项针对大型容器的数值研究，在不同初始压力、温度和操作条件下进行，为优化储氢系统提供了关键见解。