基于流量计法的燃料电池汽车氢气消耗量检测方法研究

发布时间：2017-07-18 00:08

  本文关键词：基于流量计法的燃料电池汽车氢气消耗量检测方法研究

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【摘要】：燃料电池汽车已成为解决全球环境与能源问题的理想方案之一,氢气消耗量的准确测量成为其研究、开发和示范运行迫切需要解决的问题。目前氢气消耗量检测的主要方法有质量法、温度压力法和流量计法。流量计法与质量法和温度压力法相比,能进行瞬态氢气消耗量的测量,而且可由试验台的应用扩展到实际燃料电池车的氢气消耗量检测中。因此,流量计法的研究具有更大的实用价值,但是现有的研究表明,流量计法在瞬态测量和车用条件下误差较大。 课题调研和分析氢气消耗量检测流量计法发展现状,利用ANSYS-CFD平台对科氏流量计进行建模及仿真分析,得出不同介质对科氏流量计测量精度的影响。通过对各种流量标准装置的对比,确定了用音速喷嘴装置对质量流量计进行实流标定以提高其测量精度的方法。根据燃料电池汽车氢气消耗量检测流量计法的实际测试需求,确定了标定的氢气流量范围以及音速喷嘴装置的形式。 针对现有的音速喷嘴氢气流量计标定装置,分析测控系统需要的功能,完成硬件系统的设计和硬件的集成及调试,基于Labview集成环境开发音速喷嘴氢气流量计标定装置测控系统软件,并完成软硬件系统联调。 其次,确定音速喷嘴氢气流量计标定装置在实际应用中的数学计算模型,利用氢气的真实气体显式亥姆霍兹能量方程,用非线性二元牛顿迭代法计算得出氢气的实际气体临界流函数。对装置不确定度进行分析,根据试验需求分析对装置结构进行优化,用质量法对装置不确定度进行验证试验。对影响装置流量稳定性的因素进行分析,针对气源压力的影响,设计气瓶组排架,根据流量稳定性评估方法,进行流量稳定性试验。根据音速喷嘴标定质量流量计的标定原理,提出分段线性插值的标定方法。 最后,本文根据试验需求,确定了具体的试验流程,完成了试验前的准备工作。对试验过程中,两种质量流量计测量误差的来源进行理论分析和试验研究。在氮气及氢气环境下,分别对热式流量计和氢气流量计进行标定试验,并对试验结果进行分析。此外,用热式控制器模拟实际工况,进行氮气放气试验,对科氏流量计和热式流量计的动态测量精度进行验证,确定标定后科氏流量计和热式流量计的动态测量精度,为燃料电池汽车氢气消耗量检测流量计法提供参考依据。
【关键词】：氢气消耗量检测 流量计法 音速喷嘴 标定
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.722;TH814
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-8
• 目录8-11
• 1 引言11-19
• 1.1 课题背景11-17
• 1.1.1 燃料电池汽车发展现状11-12
• 1.1.2 燃料电池汽车氢气消耗量检测方法研究现状12-17
• 1.2 课题研究内容及意义17-18
• 1.2.1 研究内容17
• 1.2.2 课题意义17-18
• 1.3 本章小结18-19
• 2 流量计法基础研究19-39
• 2.1 氢气消耗量检测方法原理19-21
• 2.1.1 质量法19
• 2.1.2 温度压力法19-20
• 2.1.3 流量计法20-21
• 2.2 流量计工作原理21-24
• 2.2.1 热式流量计工作原理21-22
• 2.2.2 科氏流量计工作原理22-24
• 2.3 科氏流量计建模与仿真分析24-33
• 2.3.1 流体力学基本方程25-26
• 2.3.2 湍流方程26-28
• 2.3.3 几何模型28-29
• 2.3.4 网格划分及敏感性分析29
• 2.3.5 边界条件29-30
• 2.3.6 仿真结果30-33
• 2.4 流量计标定方法研究33-37
• 2.4.1 流量标准装置34-35
• 2.4.2 音速喷嘴装置35-36
• 2.4.3 基于音速喷嘴的流量计标定方法36-37
• 2.5 本章小结37-39
• 3 音速喷嘴氢气流量计标定装置测控系统开发39-57
• 3.1 音速喷嘴氢气流量计标定装置简介39-43
• 3.2 测控系统功能分析43
• 3.3 测控系统硬件开发43-47
• 3.3.1 测控系统硬件方案设计43-46
• 3.3.2 测控系统硬件集成46-47
• 3.4 系统软件开发47-55
• 3.4.1 软件功能分析47-48
• 3.4.2 软件流程设计48-49
• 3.4.3 基于Labview的上位机软件开发49-55
• 3.5 本章小结55-57
• 4 音速喷嘴装置标定基础理论与试验研究57-79
• 4.1 音速喷嘴工作原理57
• 4.2 实际计算数学模型研究57-66
• 4.2.1 氢气压缩因子计算59
• 4.2.2 显式亥姆霍兹能量方程59-61
• 4.2.3 元非线性牛顿迭代法61-62
• 4.2.4 氢气等熵指数计算62-65
• 4.2.5 实际气体临界流函数计算65-66
• 4.3 装置不确定度分析66-73
• 4.3.1 装置不确定度计算66-68
• 4.3.2 装置结构优化68-70
• 4.3.3 装置不确定度验证试验70-73
• 4.4 流量稳定性分析及试验73-76
• 4.4.1 影响流量稳定性来源分析73-74
• 4.4.2 流量稳定性评估方法74-75
• 4.4.3 流量稳定性试验75-76
• 4.5 标定方法研究76-78
• 4.5.1 标定原理76
• 4.5.2 标定方法76-78
• 4.6 本章小结78-79
• 5 质量流量计试验79-93
• 5.1 试验准备工作79-80
• 5.1.1 实验室安全79
• 5.1.2 试验装置准备79-80
• 5.2 流量计测量误差来源分析80-83
• 5.2.1 恒温箱试验80-82
• 5.2.2 脉动流对测量精度的影响分析82-83
• 5.3 稳态试验83-87
• 5.3.1 试验流程设计83-84
• 5.3.2 氮气试验84-86
• 5.3.3 氢气试验86-87
• 5.4 动态试验87-91
• 5.4.1 试验设备87
• 5.4.2 试验工况设计依据87-88
• 5.4.3 试验结果88-91
• 5.5 本章小结91-93
• 6 总结与展望93-95
• 6.1 工作总结93-94
• 6.2 工作展望94-95
• 参考文献95-99
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果99-103
• 学位论文数据集103

【参考文献】

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本文编号：555194