储氢反应床合金储氢热效应的CFD数值模拟及结构优化
发布时间：2022-08-23 14:23
传统化石能源的日益枯竭使得新型能源的发展成为各国关注的焦点,其中关于氢能的研究成为各国的研究热点。氢能的有效利用首要解决的是氢能的存储问题,为此国际热核聚变实验堆项目（ITER）和中国核聚变实验堆项目（CFETR）中都涉及到氢的快速存储问题。合金储氢因其储氢量大、储氢条件温和成为储氢的一种重要方式,其中ZrCo合金作为一种具有低压氢同位素捕捉能力的储氢合金被视为极有可能代替铀作为ITER项目的重要涉氢工程中的氢储存材料。另外ZrCo合金储氢发生的是可逆的放热化学反应,在反应中的放热效应会对储氢反应量,储氢反应罐的使用寿命都有影响,因此深刻理解反应器内的温度梯度分布及导热效应对于提高储氢反应器的使用寿命以及提高储氢量都有重要的影响。因此本文依托项目需要建立ZrCo合金储氢过程的含化学反应源项的数值模型以及含换热的多场耦合分析数值模型。在Fluent流场软件中采用UDF编程的方法实现源项程序的加载。考虑多参数对ZrCo储氢反应床吸氢过程温度变化的影响以及温度梯度的分布,最后根据多参数影响效应对反应床进行结构优化设计。因此本文开展了如下工作:第一,本文首先建立对耳式二维吸氢反应床体,随后结合...
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外储氢研究现状
1.2.1 高压储氢运用研究现状
1.2.2 低温液压储氢运用研究现状
1.2.3 合金储氢研究现状
1.2.3.1 合金储氢材料运用研究
1.2.3.2 合金储氢反应床设计、试验和数值模拟研究
1.3 本文研究内容与研究思路
1.3.1 二维数值模型下一种罐式反应器多参数响应效应、结构优化设计
1.3.2 三维双层薄壁反应器数值模型建立及模型有限性验证
1.3.3 三维双层薄壁反应器下多参数效应与结构优化设计
1.4 研究思路框架
2 二维吸氢数值分析与对耳式反应床结构优化设计
2.1 罐式反应器几何模型建立
2.2 吸氢数值模型、传热模型与吸氢化学反应源项UDF程序的实现
2.2.1 中心反应区含化学反应源项的能量控制方程
2.2.2 床体传热数值模型建立
2.2.3 化学反应能量源项UDF程序设计与编译
2.2.4 初始条件参数与模型假设
2.2.4.1 初始条件参数
2.2.4.2 模型假设
2.3 参数效应模拟与讨论
2.3.1 不同冷却介质种类的影响效应
2.3.2 冷却水流速的影响效应
2.3.3 不同外壁材质的影响效应
2.3.4 不同径高比的影响效应
2.3.5 Al粉的混入改变热导率的影响
2.4 结构优化与设计
2.4.1 方案1-中通冷却管方式
2.4.2 方案2-中通冷却管+传热翅片方式
2.5 本章小结
3 三维吸氢数值模型建立与模型有效性验证
3.1 ZrCo合金储氢基本理论
3.1.1 吸氢原理——P-C-T曲线方程
3.1.2 吸氢速率方程
3.2 中心反应区数值模型建立
3.2.1 反应区质量守恒方程建立
3.2.2 反应区动量守恒方程建立
3.2.3 反应区能量守恒方程建立
3.2.4 吸氢反应能量源项UDF程序设计与编译
3.3 传热传质区域数值模型建立
3.3.1 流固耦合区传热模型
3.3.2 热传导区域传热数值模型
3.4 多场耦合模型有效验证
3.4.1 多场耦合数值模型
3.4.2 数值模型有效性验证
3.5 本章小结
4 储氢参数效应与双层薄壁反应器优化设计
4.1 双层薄壁式反应床模型尺寸
4.2 双层薄壁反应器网格划分
4.3 储氢操作参数效应
4.3.1 不同冷却水流速的影响
4.3.2 不同初始反应温度的影响
4.3.3 Cu粉掺杂改变ZrCo合金储氢层热容、热导率效应
4.4 床层结构参数效应
4.4.1 不同储氢材料效应
4.4.2 不同储氢层厚度影响
4.5 结构优化设计方案
4.5.1 方案1-30组冷却通道式
4.5.2 方案2-24组冷却通道+储氢层传热翅片式
4.6 本章小结
5 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
附件1
附件2
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械球磨法添加Ag对ZK60储氢性能的影响[J]. 赵岩. 热加工工艺. 2018(18)
[2]全多层钢制高压储氢容器定期检验方法研究[J]. 钟海见,何琦,缪存坚,郭伟灿. 中国特种设备安全. 2018(06)
[3]固体储氢材料研究进展[J]. 马通祥,高雷章,胡蒙均,胡丽文,温良英,扈玫珑. 功能材料. 2018(04)
[4]Ti元素改性ZrCo合金在CO杂质气氛中吸氢行为及影响机制[J]. 张光辉,唐涛,桑革,熊义富,寇化秦,吴文清,蔚勇军. 稀有金属材料与工程. 2017(11)
[5]氢储存技术及其储能应用研究进展[J]. 高金良,袁泽明,尚宏伟,雍辉,祁焱. 金属功能材料. 2016(01)
[6]复合材料高压储氢气瓶快速充放氢过程中的温度效应研究[J]. 沈海仁,安刚,郑传祥,王亮. 化工装备技术. 2012(04)
[7]高压储氢容器氢环境疲劳试验系统研制[J]. 杨扬,叶雷,周威威,郑传祥. 化工装备技术. 2012(01)
[8]燃料电池车高压储氢系统碰撞安全设计与分析[J]. 蒋燕青,王鸿鹄,李亚超,吴兵,何雍. 上海汽车. 2011(12)
[9]金属氢化物储氢器吸氢过程的数值分析[J]. 叶建华,蒋利军,李志念,刘晓鹏,王树茂. 太阳能学报. 2011(11)
[10]化学镀法在ZrCo合金表面制备Pd膜及Pd-Ag合金膜包层研究[J]. 郭秀梅,王树茂,刘晓鹏,李志念,吕芳,郝雷,米菁,蒋利军. 金属功能材料. 2011(03)
博士论文
[1]70MPa复合材料氢气瓶液压疲劳试验装置及压力和温度控制方法研究[D]. 陈虹港.浙江大学 2014
硕士论文
[1]加氢站用多功能全多层高压储氢容器研究[D]. 许辉庭.浙江大学 2008
本文编号：3677927
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
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摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外储氢研究现状
1.2.1 高压储氢运用研究现状
1.2.2 低温液压储氢运用研究现状
1.2.3 合金储氢研究现状
1.2.3.1 合金储氢材料运用研究
1.2.3.2 合金储氢反应床设计、试验和数值模拟研究
1.3 本文研究内容与研究思路
1.3.1 二维数值模型下一种罐式反应器多参数响应效应、结构优化设计
1.3.2 三维双层薄壁反应器数值模型建立及模型有限性验证
1.3.3 三维双层薄壁反应器下多参数效应与结构优化设计
1.4 研究思路框架
2 二维吸氢数值分析与对耳式反应床结构优化设计
2.1 罐式反应器几何模型建立
2.2 吸氢数值模型、传热模型与吸氢化学反应源项UDF程序的实现
2.2.1 中心反应区含化学反应源项的能量控制方程
2.2.2 床体传热数值模型建立
2.2.3 化学反应能量源项UDF程序设计与编译
2.2.4 初始条件参数与模型假设
2.2.4.1 初始条件参数
2.2.4.2 模型假设
2.3 参数效应模拟与讨论
2.3.1 不同冷却介质种类的影响效应
2.3.2 冷却水流速的影响效应
2.3.3 不同外壁材质的影响效应
2.3.4 不同径高比的影响效应
2.3.5 Al粉的混入改变热导率的影响
2.4 结构优化与设计
2.4.1 方案1-中通冷却管方式
2.4.2 方案2-中通冷却管+传热翅片方式
2.5 本章小结
3 三维吸氢数值模型建立与模型有效性验证
3.1 ZrCo合金储氢基本理论
3.1.1 吸氢原理——P-C-T曲线方程
3.1.2 吸氢速率方程
3.2 中心反应区数值模型建立
3.2.1 反应区质量守恒方程建立
3.2.2 反应区动量守恒方程建立
3.2.3 反应区能量守恒方程建立
3.2.4 吸氢反应能量源项UDF程序设计与编译
3.3 传热传质区域数值模型建立
3.3.1 流固耦合区传热模型
3.3.2 热传导区域传热数值模型
3.4 多场耦合模型有效验证
3.4.1 多场耦合数值模型
3.4.2 数值模型有效性验证
3.5 本章小结
4 储氢参数效应与双层薄壁反应器优化设计
4.1 双层薄壁式反应床模型尺寸
4.2 双层薄壁反应器网格划分
4.3 储氢操作参数效应
4.3.1 不同冷却水流速的影响
4.3.2 不同初始反应温度的影响
4.3.3 Cu粉掺杂改变ZrCo合金储氢层热容、热导率效应
4.4 床层结构参数效应
4.4.1 不同储氢材料效应
4.4.2 不同储氢层厚度影响
4.5 结构优化设计方案
4.5.1 方案1-30组冷却通道式
4.5.2 方案2-24组冷却通道+储氢层传热翅片式
4.6 本章小结
5 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
附件1
附件2
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械球磨法添加Ag对ZK60储氢性能的影响[J]. 赵岩. 热加工工艺. 2018(18)
[2]全多层钢制高压储氢容器定期检验方法研究[J]. 钟海见,何琦,缪存坚,郭伟灿. 中国特种设备安全. 2018(06)
[3]固体储氢材料研究进展[J]. 马通祥,高雷章,胡蒙均,胡丽文,温良英,扈玫珑. 功能材料. 2018(04)
[4]Ti元素改性ZrCo合金在CO杂质气氛中吸氢行为及影响机制[J]. 张光辉,唐涛,桑革,熊义富,寇化秦,吴文清,蔚勇军. 稀有金属材料与工程. 2017(11)
[5]氢储存技术及其储能应用研究进展[J]. 高金良,袁泽明,尚宏伟,雍辉,祁焱. 金属功能材料. 2016(01)
[6]复合材料高压储氢气瓶快速充放氢过程中的温度效应研究[J]. 沈海仁,安刚,郑传祥,王亮. 化工装备技术. 2012(04)
[7]高压储氢容器氢环境疲劳试验系统研制[J]. 杨扬,叶雷,周威威,郑传祥. 化工装备技术. 2012(01)
[8]燃料电池车高压储氢系统碰撞安全设计与分析[J]. 蒋燕青,王鸿鹄,李亚超,吴兵,何雍. 上海汽车. 2011(12)
[9]金属氢化物储氢器吸氢过程的数值分析[J]. 叶建华,蒋利军,李志念,刘晓鹏,王树茂. 太阳能学报. 2011(11)
[10]化学镀法在ZrCo合金表面制备Pd膜及Pd-Ag合金膜包层研究[J]. 郭秀梅,王树茂,刘晓鹏,李志念,吕芳,郝雷,米菁,蒋利军. 金属功能材料. 2011(03)
博士论文
[1]70MPa复合材料氢气瓶液压疲劳试验装置及压力和温度控制方法研究[D]. 陈虹港.浙江大学 2014
硕士论文
[1]加氢站用多功能全多层高压储氢容器研究[D]. 许辉庭.浙江大学 2008
本文编号：3677927
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