碳基儲(chǔ)氫材料多孔結(jié)構(gòu)中傳輸與吸附的多尺度模擬.pdf

1、碳基材料吸附儲(chǔ)氫因其安全可靠和高效成為當(dāng)前儲(chǔ)氫研究的熱點(diǎn)。碳基儲(chǔ)氫材料多孔結(jié)構(gòu)中傳輸和吸附是吸附儲(chǔ)氫研究的重點(diǎn)。本文以儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了多尺度模擬軟件集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和宏觀兩個(gè)尺度吸附儲(chǔ)氫模型的關(guān)聯(lián)，從兩種尺度模擬了儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)的充氣、休眠、放氣和休眠等過程，研究氫氣在活性炭多孔介質(zhì)區(qū)域的傳輸和吸附過程。
　　 首先，本文對(duì)常見的吸附等溫線模型Herry定律、Virial方程、Lanmuir方程和D-A方程進(jìn)行了比較

2、，分析了其應(yīng)用的范圍，確立了D-A吸附等溫線模型作為本文模擬計(jì)算的基礎(chǔ)；根據(jù)多孔介質(zhì)中傳輸和吸附的特點(diǎn)，給出了多孔介質(zhì)中質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程中對(duì)應(yīng)的質(zhì)量源項(xiàng)、能量源項(xiàng)和動(dòng)量源項(xiàng)；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)D-A方程為吸附模型和氣體狀態(tài)方程等熱力學(xué)模型，建立了儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)的系統(tǒng)模型和宏觀模型。
　　 其次，在Comsol with Matlab下，本文實(shí)現(xiàn)了Simulink、Fluent、Comsol和Origin四種軟件

3、的集成，建立了多尺度模擬軟件集成平臺(tái)，完成模擬工作的前處理，求解和后處理。通過分析Matlab GUIDE生成的M文件、Fluent journal文件、Comsol M文件和Origin對(duì)象調(diào)用的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)了多尺度模擬軟件集成平臺(tái)與Simulink、Fluent、Comsol和Origin之間的調(diào)用和數(shù)據(jù)交互的接口，從而實(shí)現(xiàn)了四種軟件的有效集成。
　　 第三，本文利用Winsock網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，分別在Fluent的U

4、DF和SimulinkC文件S函數(shù)中編寫客戶端程序和服務(wù)端程序，實(shí)現(xiàn)了Fluent和Simulink的協(xié)同仿真；以Simulink M文件S函數(shù)為載體，將Comsol求解模型嵌入在S函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)了Comsol和Simulink的協(xié)同仿真；并給出了儲(chǔ)氫罐吸附儲(chǔ)氫Simulink與Fluent、Simulink與Comsol模擬中的關(guān)聯(lián)及其實(shí)現(xiàn)過程。
　　 然后，以本文所建立的多尺度模擬軟件集成平臺(tái)為工具，分別調(diào)用Simulink、

5、Comsol和Fluent軟件對(duì)填充活性炭的儲(chǔ)氫罐進(jìn)行了充氣、休眠、放氣和休眠等階段的模擬，求解罐內(nèi)的溫度、壓力、絕對(duì)吸附密度和吸附質(zhì)量等，并把三種模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：Simulink、Fluent、Comsol模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合，本文所建立的系統(tǒng)模型和宏觀模型都可以較好地描述儲(chǔ)氫罐的充氣和放氣過程；系統(tǒng)模型和宏觀模型的模擬均能顯示氫氣的質(zhì)量平衡，39％微孔孔隙所儲(chǔ)存的吸附相氫氣的質(zhì)量大于49％的

6、活性炭床孔隙所儲(chǔ)存的氣相氫氣質(zhì)量(兩者之差約2.5g)，表明了吸附儲(chǔ)氫的潛在優(yōu)勢(shì)。
　　 最后，分別從儲(chǔ)氫罐模型尺寸、充氣質(zhì)量流率、放氣質(zhì)量流率和有效熱導(dǎo)率等參數(shù)出發(fā)，研究其在充氣和放氣過程中的影響，結(jié)果表明：在相同的容積下，提高儲(chǔ)氫罐的表面積、增加有效熱導(dǎo)率可降低儲(chǔ)氫罐的溫度，有利于提高儲(chǔ)氫罐的吸附量；在儲(chǔ)氫罐的壓力和溫度允許范圍內(nèi)，在充氣質(zhì)量一定的情況下，充氣質(zhì)量流率越大，充氣時(shí)間越短，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐的壓力和溫度峰值的增大，但