《Journal of Energy Storage》：Multi-objective thermodynamic and heat transfer optimization of a LaNi?-based metal hydride hydrogen storage reactor
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摘要本研究在多目标优化框架下，对基于LaNi?的金属氢化物储氢反应器进行了全面的数值与热力学分析。在ANSYS Fluent中建立了二维轴对称瞬态模型，通过用户定义函数来描述氢气吸收动力学、热传递以及热力学不可逆性。系统研究了关键运行与设计参数的影响，包括氢气供应压力、对流热传递
摘要 本研究在多目标优化框架下，对基于LaNi?的金属氢化物储氢反应器进行了全面的数值与热力学分析。在ANSYS Fluent中建立了二维轴对称瞬态模型，通过用户定义函数来描述氢气吸收动力学、热传递以及热力学不可逆性。系统研究了关键运行与设计参数的影响，包括氢气供应压力、对流热传递系数以及铜涂层带来的有效热导率提升。从充氢时间、储存氢气质量、反应器平均温度以及熵产生等方面对反应器性能进行了评估。通过基于秩相关的敏感性分析，确定了影响反应器行为的主要参数。为确定最优反应器配置，利用84组CFD数据构建了基于人工神经网络的替代模型，其平均R2值为0.984。该替代模型随后与非支配排序遗传算法II结合，生成连续的帕累托最优前沿，再通过TOPSIS多准则决策方法选出最佳折中设计。在以充氢时间为首要考虑因素的基准权重方案下，所选最优配置的氢气供应压力为7.65巴，对流热传递系数为464瓦/平方米·开尔文，铜涂层比例为38.4%，此时充氢时间为632.81秒，熵产生量为92.86焦耳/开尔文，储存氢气质量为0.31千克，其数值模拟结果与实际值的误差低于2%。为评估该设计方案的稳健性，除了基准设计外，还针对四种不同的TOPSIS权重方案进行了敏感性分析，结果表明，若将储存氢气质量置于充氢时间之前考虑，充氢时间将增加一倍以上；而方案3虽然充氢时间略高于基准值，但熵产生量最低。这些研究结果凸显了在金属氢化物反应器设计的多目标优化中，基于熵的指标与充氢时间、储存容量同样重要。
章节节选 术语表 A ?范特霍夫系数（—）
B ?范特霍夫系数（K?1 ）
C a ?1 ）
Ci ?TOPSIS接近度系数（—）
c p
c s
E a
h ?对流热传递系数（瓦特/平方米·开尔文）
k ?热导率（瓦特/米·开尔文）
k eff
k g
k s
m ? ? ?体积质量流量
材料与方法 如图1所示，本研究采用了八阶段优化方法。首先在ANSYS-FLUENT中对金属氢化物储氢罐的动态行为进行参数化研究，通过84组CFD模拟获取充氢时间、储存氢气质量、熵产生量以及反应器最终温度等性能数据。这些数据随后被用于敏感性分析，并用于构建基于人工神经网络的替代模型。之后，将训练好的人工神经网络模型与
结果与讨论 本章呈现的结果是基于84组模拟案例的全面参数化研究，旨在分析各类设计及运行参数对金属氢化物反应器性能的影响。文中详细探讨了各参数对储存氢气质量、充氢完成时间、熵产生量以及反应器最终温度的影响。
通过系统改变三个关键参数，构建了参数空间
结论 本研究通过数值模拟分析了基于LaNi?的金属氢化物储氢反应器的热、动力学及热力学耦合行为。在ANSYS-Fluent中利用用户定义函数建立了二维瞬态模型，系统研究了氢气供应压力、对流热传递系数以及铜涂层提升的有效热导率等因素的影响。
研究结果表明，氢气供应
CRediT作者贡献声明 Selim Can Bozk?r： 撰写——初稿，可视化，验证，正式分析。Mehmet Akif Ezan： 撰写——初稿，验证，指导，方法论，概念构建。C. Ozgur Colpan： 撰写——审阅与编辑，指导，资金获取，概念构建。?a?la Cergibozan： 撰写——审阅与编辑，方法论，正式分析，可视化。
利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢 本研究得到了多克苏埃柳尔大学科学研究项目协调办公室 的资助，项目编号为FBA-2023-2996。
Selim Can Bozk?r|Mehmet Akif Ezan|C. Ozgur Colpan|?a?la Cergibozan
土耳其伊兹密尔多克苏埃柳尔大学自然与应用科学研究生院
