干货丨通过CFD模拟燃料电池汽车氢气泄漏后气体扩散过程

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在新能源汽车领域，各国加大了在氢气燃料电池上的研发。氢气敏感性较高，爆炸极限在4%~74%之间。在氢安全研究领域，对加氢站、停车场等区域，不便于实际开展泄漏、扩散、爆炸等试验。针对这一问题，可用CFD数值计算的方法模拟实际场景，完成相关研究。本文基于CFD软件，选择某一工况模拟地下停车场中燃料电池汽车氢气泄漏后的扩散过程。   — 01 — 建立模型划分网格 1.1建立模型 建立燃料电池汽车模型（如图1），汽车停放在18.0m×16.7m×2.3m的地下停车场，整个地下停车场为计算域，位置如图2所示。长方体有六个面（前-后-左-右-上-下），设置边界条件为：前-outflow（出口），后-inlet（进风口），其余为wall（墙壁）。另外，泄漏口位于车体底盘中间靠后位置。为便于网格划分，提高计算速度，几何建模时可适当忽略细节。 1.2网格划分 几何模型建立后，进行划分网格。先对停车场及汽车整体进行粗略网格划分（如图3所示），再对车体及泄漏口进行网格加密（如图4所示）。网格划分是联结几何模型与CFD仿真模型之间的桥梁，网格质量是CFD模拟精度和速度的重要影响因素。 — 02 — 选择计算模型 计算模型选用k – ε湍流模型。先对停车场所处环境进行稳态模拟(steady)，在此基础上完成氢气泄漏的扩散瞬态模拟(transient)。 2.1停车场环境稳态模拟 计算域以0.01 m/s风速从右侧进风口进风，制造停车场稳态环境设置迭代900步，收敛后自动完成计算，如图5所示。 2.2氢气泄漏扩散过程瞬态模拟 在以上停车场模拟的基础上，模拟氢气泄漏扩散过程。车载氢系统有可能发生卡套、阀门等松动的情况，在瓶阀、卡套等位置出现氢气泄漏的可能性较大。现模拟一种氢气卡套松动发生微量泄漏的典型工况。氢气以0.00195 g/s的速率，从汽车底盘中间靠后位置的氢气瓶中漏出，方向竖直向下。泄漏15 min，迭代900步，如图6所示。过程如果出现报错，可能是网格质量问题或参数设置问题。过程无报错且结果收敛，完成计算保存文件。 — 03 — 获取目标数据 计算可设置监测点/线/面，过程中自动记录目标物理量数据，如压力、温度、摩尔分数、质量分数等。本文记录停车上顶部（即计算域上面）的氢气摩尔分数（mole fraction），计算过程中自动读取并保存[时间-氢气浓度]序列数据。 — 04 — 扩散过程 完成15 min氢气泄漏CFD计算后，可通过设置等值面/矢量图/轨迹图，得到氢气浓度分布图，也可通过计算过程等迭代间隔自动保存的文件，导出氢气泄漏扩散过程动画。浓度分布图如图7-10所示。 — 05 — 意义 在燃料电池汽车开放过程中，氢安全的研究至关重要。CFD仿真可获取大量模拟数据，为燃料电池汽车氢气泄漏风险评估及发生后果严重度等提供方向。 （1）模拟车载氢系统氢气泄漏典型工况，预测氢气扩散趋势，对泄漏后果严重度进行评估； （2）CFD仿真所得浓度数据及扩散趋势，可作为火灾、爆炸后果仿真的输入条件；  (3) CFD仿真可提高危险场所通风系统设计的有效性，降低氢气聚集的可能性；同时，提高氢气探测器布置的有效性。

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