在最近在《开放式日记》上发表的论文中能量，研究人员使用了国家标准技术研究所（NIST）真实气体模拟模型和改良的K-ɛ湍流，用于快速填充高压氢存储气缸的数值模拟。他们还优化了氢气缸的内部结构，而没有预冷条件以降低最高气缸温度并增强电荷状态（SOC）。
学习：高压氢存储气缸快速填充的数值模拟和优化。图片来源：音频和werbung/shutterstock.com
背景
氢能工业化和应用的关键要求是一种安全，经济且高效的氢储存技术。截至目前，氢被压缩并存储在具有较高温度适应性，低能消耗和高技术成熟度的气缸中。
但是，气缸的快速氢充电会导致温度升高效应，并且与高压一起，它可以影响树脂基质的机械特性，并降低SOC和气缸的疲劳寿命。当温度超过85°C或低于-40°C时，气缸有损坏的风险。当SOC低于90％时，圆柱体效率低下且填充不足，而过度填充的圆柱会造成安全危险。
关于氢注射过程中压力和温度升高的影响的最新研究建立了计算流体动力学（CFD）模型。这些研究主要集中在III型和IV型注射参数，纤维材料和气缸内衬及其对气缸温度的影响。亚博网站下载但是，考虑气缸内部结构和由于温度升高引起的低SOC的研究受到限制。
优化之前和之后，圆柱体的二维几何形状和计算网格（以毫米为单位给出尺寸）：（（A）原始方案（（b）优化方案。图片来源：Xue，L等人，能量
关于研究
在这项研究中，团队产生了一个CFD数值模型，考虑了一些假设，例如气缸温度与初始注入阶段期间的环境温度一致，各种材料的各向同性传热特征，忽略了重力的效果和能量的交换亚博网站下载氢和管道连接气缸和储罐，并使用二维（2D）模型进行模拟。
模型设置包括将2D压力求解器应用于模拟。随着时间的推移，存储气缸的温度上升曲线验证了结果的准确性。通过将它们与现有研究的实验数据进行比较来验证模拟结果。
气缸内氢的温度和速度轮廓在80 s。图片来源：Xue，L等人，能量
观察
研究人员观察到，圆柱体内温度的升高可以通过内部气缸优化以及注入氢预冷来抑制。注射可以随后增加SOC。在六个预冷方案下有效降低了最高温度升高。还观察到，在几个工作条件下，气缸内的温度分布不均匀，从圆柱的尾巴降低到嘴。此外，氢从口腔流向尾巴的时间较长，导致对流冷却不足。
另一方面，观察到气缸压力的降低，注射温度的降低。考虑到恒定的填充质量流量，SOC和填充时间随着入口温度的降低而增加。此外，注射完成后，SOC随着注射时间和气温降低的升高而增加。可以通过修改气缸的内部结构和注入预冷，从而调节温度均匀性，从而进一步改善SOC。
可以看到在圆柱体中添加填充管，可以优化由于直接注入氢而导致的热传递，同时加速了内部对流冷却和傍晚气缸的温度分布。该团队以75％，50％和25％的长度比例选择了三个优化方案，以探索该方案的可行性。与初始方案相比，这三种情况下的温度差较小，而SOC较高。优化将SOC的长度比分别增加了40.1％，38.7％和16％，分别为75％，50％和25％。
优化之前和之后气缸内的温度均匀性。图片来源：Xue，L等人，能量
结论
总而言之，研究人员使用了数值模拟模型来研究各种温度下的氢气对压力，SOC和温度在35 MPa氢存储缸的注入过程中的影响。此外，评估了在气缸内添加管道以改善SOC的情况。压力随着氢充电温度以及充电时间的升高而线性增加。
氢注射的预冷治疗导致最高气缸温度升高和温度升高速度的降低。注射温度的降低逐渐提高SOC高达49.3％。考虑到超过90％的SOC和其他安全要求，建议注射气体的预冷为-10°C或更低。
来源
Xue，L。;Deng，J。;Wang，X。;Wang，Z。；Liu，B。高压氢存储缸快速填充的数值模拟和优化。能量2022，，，，15，5189。https://www.mdpi.com/1996-1073/15/14/5189
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