《Results in Engineering》：CFD Simulation of Cryogenic LH? Refuelling with Boil-Off Management
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低温液氢（LH?）正成为航空航天和重型运输领域零排放交通的关键使能技术。模拟液氢加注过程对于系统设计和安全性至关重要，但由于紧密耦合的多相现象、快速热力学瞬变以及有限的实验数据，该项工作仍具有挑战性。本研究提出了一种适用于实际工况下瞬态液氢加注过程的高保真三维
低温液氢（LH?）正成为航空航天和重型运输领域零排放交通的关键使能技术。模拟液氢加注过程对于系统设计和安全性至关重要，但由于紧密耦合的多相现象、快速热力学瞬变以及有限的实验数据，该项工作仍具有挑战性。本研究提出了一种适用于实际工况下瞬态液氢加注过程的高保真三维计算流体动力学（CFD）方法。该模型结合流体体积（VOF）方法、Lee相变模型以及源自NIST数据库的高分辨率实时气体属性（RGP）表，以确保接近饱和线区域的热力学精度。采用分阶段初始化、自动网格自适应、自适应时间步进及自动化蒸发气控制，实现热、流动及界面动力学的稳定且计算高效的求解。入口边界条件基于实际液氢加注试验中测得的质量流量数据，从而确保模型输入的真实性。一项专门的敏感性研究表明，预测的压力演化受Lee相变系数（特别是冷凝系数）的显著影响，凸显了应用特定标定的必要性。通过与传统集总相平衡方法对比，验证了模型的物理合理性；同时与NASA液氢加注实验的对比表明，模型在特征压力演化和液位变化方面具有良好的一致性。总体而言，所开发的工作流程为低温液氢加注模拟提供了一个稳健、可迁移且可扩展的框架，并支持未来在研究和工业应用中对氢储存及加注系统进行模型细化、参数标定、优化与安全评估。
**低温液氢加注CFD模拟研究解读**
**一、研究背景与意义**
应对气候变化和实现《联合国巴黎协定》目标，需要大规模向可再生能源和零碳燃料转型。氢能作为关键能源载体，可通过可再生能源电解水制备，广泛应用于发电、工业、供热和交通领域。然而，氢在环境条件下体积能量密度低，储存和运输面临巨大挑战。当前主流解决方案包括最高压力达7×10? Pa的压缩气态氢（CGH?）和温度接近20 K的液氢（LH?）。凭借其高重量和体积能量密度，液氢为航空、航运、公路运输和航天等对续航里程和质量有严格要求的应用场景提供了极具吸引力的储存和运输路径。
液氢系统的瞬态行为受流体流动、传热和相变之间复杂相互作用的控制，需要能够解析这些强耦合现象的建模方法。虽然实验和降阶0D模型能在系统层面提供有价值的见解，但计算流体动力学（CFD）能够提供局部过程的高分辨率时空解析，包括界面演化、热分层、排气、蒸发、晃荡和自增压等。在此背景下，流体体积（VOF）方法被广泛用于追踪液-气界面，并常与Lee型相变模型耦合以模拟界面处的蒸发和冷凝过程。
已有研究虽显著推进了对低温氢在储存、输送和加注过程中行为的理解，但基于CFD的瞬态液氢加注精确模拟仍具挑战性，因其需同时处理实时气体热力学、多相界面动力学、相变、网格分辨率及压力控制排气。现有方法通常依赖简化的热物理性质描述或理想气体假设，而自动网格自适应和动态控制的蒸发气排放仅在有限程度上得到解决。因此，本研究旨在开发一种专门针对瞬态液氢加注的综合模块化CFD工作流程，以克服上述方法论挑战。
**二、研究内容与结论**
研究人员开发了一种高保真三维CFD方法，用于模拟实际工况下的瞬态液氢加注过程。该方法将VOF多相模型与Lee相变模型相结合，并利用由NIST数据生成的高分辨率实时气体属性（RGP）表来确保接近饱和线区域的热力学精度。研究采用分阶段初始化策略、自动网格自适应（AMA）、自适应时间步进和自动化蒸发气控制例程，实现了热、流动和界面动力学的稳定高效求解。入口边界条件基于HyCentA实际液氢加注试验中测得的质量流量数据。研究通过与集总相平衡模型对比验证了物理合理性，并通过NASA Test 9093G实验数据验证了模型的有效性。研究得出以下主要结论：所开发的工作流程为低温液氢加注模拟提供了稳健、可迁移且可扩展的框架；压力演化对Lee相变系数高度敏感，尤其是冷凝系数，需进行应用特定标定；恒定Lee系数无法完整表征整个加注瞬态过程，分阶段或动态调整的系数参数化有望进一步提升一致性。该研究成果发表于《Results in Engineering》。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用了以下关键技术与方法：（1）VOF多相模型结合Lee相变模型，用于追踪液-气界面并模拟蒸发和冷凝过程；（2）基于NIST实时气体数据库生成的高分辨率RGP属性表，确保低温条件下热力学精度；（3）自动网格自适应（AMA）技术，动态细化相界面的网格分辨率；（4）自适应时间步进策略，基于目标Courant–Friedrichs–Lewy（CFL）数动态调整时间步长；（5）自动化蒸发气管理例程，通过用户自定义控制代码监控罐压并在达到阈值时自动切换边界条件实现排气；（6）分阶段初始化与求解策略，包括预计算湍流场和逐步激活控制方程。边界条件采用HyCentA实际加注试验的测量质量流量数据，验证模拟采用NASA Test 9093G实验数据。
**四、研究结果**
**4.1 自动网格自适应（AMA）**
通过垂直切割面视图展示了加注过程中自动网格自适应在不同时刻的表现。在12 s时，沿液氢射流与周围气态氢（GH?）之间的相边界出现明显的网格细化；射流撞击后壁时，强剪切层和蒸汽形成导致显著局部梯度，细化区域沿射流轨迹和撞击区形成。在23 s时，入口管附近区域进一步细化，对应持续的高速和多相相互作用。在115 s时，罐体接近充满，流动趋于平稳，罐体上部出现几乎均匀的细化层，反映液相与气相之间稳定的界面区域。
**4.2 加注动力学概览**
通过液氢体积分数的体积渲染图，显示了四个时刻的加注动态。在0 s时，罐底仅含有预填充的6 cm液氢层；在12 s时，注入射流已撞击壁面并分裂为向上和侧向流动，闪蒸现象显著，液氢破碎为小液丝并与周围蒸汽混合，形成大尺度卷吸结构；在23 s时，罐体填充至标称容量约四分之一，达到入口通道高度，涡旋活动减少，自由表面开始稳定；在115 s时，填充达到准稳态，液位接近顶部，界面平坦，在较小蒸汽层下方形成良好分层的液层。
**4.3 压力演化与蒸发气阀门动力学**
研究跟踪了加注过程中的罐内压力、出口压力和蒸发气出口速度。罐压因液氢持续流入和相变效应而稳步上升。初始阶段蒸发气出口为封闭壁面，压力达到预设阈值3×10? Pa（约17 s）后，边界条件自动切换为压力出口（固定压力2.95×10? Pa）。切换后罐压继续上升，但速率显著降低，由罐内与出口之间的压差驱动蒸汽流动。出口速度在切换后急剧上升，表明压缩GH?的快速释放。研究指出，如需更慢的压升，可降低出口压力以增强压差；或增大出口直径以提高质量流量。
**4.4 Lee系数敏感性分析**
研究对Lee蒸发和冷凝系数进行了专门的变化分析，评估至罐压达到3×10? Pa阈值（即蒸发气阀门激活）为止。结果表明，在约8 s之前所有工况压力演化几乎一致，此后压力曲线逐渐分化。将蒸发系数从0.05增至1.0（冷凝系数保持0.05）加速了压力上升，最早触发阀门（约16.7 s）；将冷凝系数从0.05增至1.0（蒸发系数保持0.05）则将阀门激活延迟至约18.6 s。当两系数均增至1.0时，开启时间与仅增大冷凝系数的情况差异不大。这表明在研究的条件下，预测的压力演化对冷凝系数的敏感性远高于蒸发系数。该不对称性表明，随着加注后期罐压持续上升，冷凝逐渐主导净相变行为，蒸汽向液体的质量传递变得更加有利。研究强调Lee系数应视为应用特定参数而非普适常数，需进行针对性标定。
**4.5 物理合理性与相变评估**
由于实验仅记录了入口边界条件，缺乏内部过程数据，直接验证不可行。因此，研究人员首先通过与文献中基于相平衡的集总模型进行对比来评估CFD结果的物理合理性，采用相同的罐体几何、入口质量流量和初始条件。对比显示，CFD模拟中由于初始施加了轻微垂直温度梯度，气相平均温度略高，导致初始气相密度和蒸汽质量分数较低；较高的气体温度促进了初始液氢的部分蒸发，引发净相变。随着加注持续，罐压上升超过饱和压力后，相变方向逆转，气态氢开始冷凝，由相间质量传递符号变化确认。与假设瞬时相变的集总模型不同，CFD模拟通过Lee模型纳入有限速率相变，导致少量蒸汽残余并逐渐冷凝，引起略强的压力上升。总体而言，对比支持了CFD模型预测的瞬态相变行为的物理合理性，特别是与热力学平衡的预期偏差。
**4.6 与NASA液氢加注实验的验证**
研究使用NASA Test 9093G实验数据进行验证，该实验为34 L圆柱形接收罐、底部填充、向上喷射管的加注过程，平均质量流量0.034 kg/s，入口温度18.61 K，初始罐压26.2 kPa，最终填充水平约96 vol.%。CFD模型尽可能复现了这些操作条件。由于实验文档未提供喷射器组件的完整几何描述，研究人员采用了若干合理假设（入口管径19 mm，出口位置位于罐底上方119 mm），并将实验测得的初始温度分布作为初始条件。对比结果显示，模拟再现了三个特征阶段：初始约6 s内罐压低于来流氢的饱和压力，导致注入液氢部分闪蒸；主加注阶段（约至50 s）液体积累且冷凝限制了压力上升；最终蒸气空间压缩阶段压力快速上升。当前模拟预测的初始压力增加略慢于实验，但几乎同时进入主加注阶段。所有数值模型在主加注阶段均合理再现了实验压力趋势，但略有高估。最大偏差出现在最终蒸汽压缩阶段，各模拟均未能完全捕捉实验压力上升。研究将其归因于恒定Lee系数的使用，并指出增加蒸发系数同时减小冷凝系数可更接近实验最终压力上升。模拟的液位在整个加注过程中与实验测量良好一致。研究表明，单一恒定Lee系数组无法同等地表征完整瞬态加注过程，需应用特定且可能阶段依赖的标定。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，所开发模拟工作流的核心贡献不在于复现单个实验，而在于建立了可迁移的低温氢系统CFD方法论。压力预测对Lee相变系数（特别是冷凝系数）的高度敏感性强调了应用特定标定的必要性。恒定系数无法覆盖整个加注过程中不断变化的热力学和相转移条件，分阶段或动态自适应的系数参数化有望进一步提升一致性。实验不确定性来源包括低温测量中的快速瞬变、传感器响应、热传导以及传感器定位和绝缘不确定性。研究指出当前工作流依赖CPU求解器，GPU求解器尚不支持RGP表与VOF中相转移的联合使用，未来若实现相关功能将大幅降低计算成本，使包含预冷阶段的完整过程模拟成为可能。
研究结论可翻译为：本研究提出了一个用于瞬态液氢（LH?）加注模拟的综合CFD工作流程，通过界面动力学、实时气体属性、相变和压力控制的联合处理推进了现有建模方法。该框架将VOF方法与Lee相变模型耦合，并采用由NIST数据生成的精细实时气体属性表，其沿饱和曲线的高分辨率使其成为所开发方法论的关键要素。自动化蒸发气管理例程能够在罐压超过3×10? Pa时切换出口边界条件，一致地表示压力释放过程的瞬态激活和随后的压力稳定。通过与集总平衡模型的对比确认了方法的物理一致性，并通过NASA Test 9093G验证再现了特征填充阶段、压力演化和液位。总体而言，该工作流程为液氢储存和加注系统的模拟、优化和安全评估提供了物理一致、可迁移且可扩展的基础。HyCentA的液氢实验室目前处于工程阶段，预计2026年底投入运行，将通过目标标定、高分辨率瞬态测量和改进的相变关联式及填充策略的开发支持进一步的模型细化。
