[发明专利]一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法。该方法在Ⅳ型管束瓶服役温度范围内选取一系列试验温度，然后在各试验温度下对组成Ⅳ型管束瓶的材料实施力学和热力学性能测试；基于测试数据，利用数据驱动方法建立考虑温度影响的管束瓶材料的力学和热力学性能预测模型；进一步地，基于该模型，构建管束瓶材料的力学和热力学性能数据库；同时，采用计算流体力学方法模拟管束瓶充氢过程，获取充氢过程中管束瓶内壁面所受的瞬态温度场和压力场载荷；最后，将构建的材料性能数据库作为材料参数、管束瓶内壁面所受载荷作为边界条件输入Ⅳ型管束瓶有限元模型，采用瞬态热固耦合技术，实现充氢过程中Ⅳ型管束瓶膨胀量的预测。

技术领域

本发明涉及常温压缩氢气储运装备领域，尤其涉及一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法。

背景技术

目前，国内占主导地位的氢气运输技术是高压气态输氢，具体包括输氢管道、长管拖车、管束集装箱等。对于运输距离短、分散性强、用量不稳定、尚未规模化的氢气用户，管束集装箱相比于其他方式更具优势。因此，它也是目前国内从制氢工厂运输氢气至加氢站的主流技术方案。根据管束集装箱所用储氢瓶的类别，可以将其分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型。其中，Ⅳ型储氢管束集装箱具有更强的氢气储运能力、更低的氢气运输成本和更长的管束瓶使用寿命，是国内储氢管束集装箱的重要发展方向。

Ⅳ型储氢管束集装箱是将一定数目的大容量Ⅳ型储氢瓶按照特定排列方式组成管束并固定于集装箱内部的氢气储运装备。相邻管束瓶的间距越小、排列越紧密，就能够在集装箱的有限空间内放置越多数目或者越大容积的Ⅳ型瓶，从而获得更大的氢气储运量。但是，Ⅳ型管束瓶在充氢过程中会发生明显膨胀，过小的瓶间距可能导致相邻管束瓶发生碰撞，使其纤维层损伤、承载能力下降，甚至引发安全事故。因此，准确预测Ⅳ型管束瓶在充氢过程中的膨胀量，对Ⅳ型储氢管束集装箱中瓶间距的设计具有重要指导意义。

众所周知，复合材料的力学性能会随温度的升高而显著劣化，特别是弹性模量和剪切模量。由于氢气的压缩效应、负焦-汤效应、动能-热能转化等因素作用，充氢过程将导致氢气发生显著的温升，同时传导到管束瓶瓶体，使其温度也明显上升，进而减弱Ⅳ型管束瓶的抗变形能力。值得注意的是，Ⅳ型瓶的导热性能很差，充氢过程产生的热量将在很长的时间留存在瓶体内部，而且其分布是不均匀的。这导致Ⅳ型管束瓶瓶身不同位置的材料软化程度不一致，使得其变形也不均匀。

目前，国内的储氢管束集装箱仍以Ⅰ型和Ⅱ型为绝对主导，业界尚没有提出一套系统地预测Ⅳ型管束瓶在充氢过程中膨胀变形的方法。现存的Ⅳ型瓶膨胀变形预测方法大多数是针对小容量车载储氢瓶开发的，对Ⅳ型管束瓶的借鉴意义较小。相比于车载瓶，Ⅳ型管束瓶的容量更大，绝对变形量也更大，充氢过程的不均匀温升现象更显著，变形不均匀性也更明显。因此，在预测Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量时，有必要将不均匀温升的影响考虑在内。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法，解决现有方法因为未考虑Ⅳ型管束瓶在充氢过程中的不均匀温升现象而导致预测结果不准确、不能用于指导Ⅳ型管束集装箱优化设计的缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：在Ⅳ型管束瓶服役温度范围[T_lower-limit,T_upper-limit]内选取n个试验温度T₁、T₂…T_n，然后在各试验温度下对组成Ⅳ型管束瓶的所有材料M₁、M₂…M_k实施力学和热力学性能测试，获取不同试验温度下各材料的力学和热力学性能数据；