CN112115651B - 一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法 - Google Patents

一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，包括以下步骤：一、建立车用气瓶及其外部流场区的三维模型；二、读取建立好的车用气瓶及其外部流场区的三维模型，填充生成计算域三维模型；三、读取计算域三维模型，对整个计算域进行网格划分，生成计算域有限元模型；四、读取计算域有限元模型，选取火焰燃烧模型，设置初始状态和边界条件，进行求解计算；五、进入后处理器观察和分析计算结果，得到车用气瓶外部流场的温度分布情况。本发明使用三维数字化建模和有限元分析的方法，系统高效地获取了车用气瓶外部流场区的温度分布，为车用气瓶的安全运行和火灾情境下的应急救援提供可靠的技术支撑。

Description

一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法
技术领域
本发明涉及化工设备技术和汽车工业领域，特别涉及一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法。
背景技术
车用气瓶是一种用来储运车用燃料气体的压力容器，在化工领域和汽车行业运用广泛。近年来，随着燃油成本的提高和人们环保意识的增强，新型燃料汽车成为汽车技术发展的热点方向，车用气瓶作为承装液化天然气、液化石油气、压缩天然气等汽车动力燃料的装置，投入使用的数量迅速增加。一方面，车用气瓶的使用有效地解决了汽车燃料气体的储运难题并极大地降低了汽车尾气对环境的污染，另一方面，车用气瓶作为承装着危险化学物质的高压容器在客观上具有显著的潜在危害性，特别是在受到高温高热等外力影响的情况下车用气瓶流场区域的要素分布会发生剧烈变化，其中外流场区域的要素分布的变化直接作用于周围环境中的客体，对人民生命财产安全产生切实的影响。
近年来，随着燃料汽车的发展和推广，作为汽车燃料系统的核心装备，国内外关于车用气瓶的研究方兴未艾，渐入佳境。杨树军在文献《汽车用液化天然气气瓶漏热试验与有限元数值计算研究》中运用ANSYS有限元稳态热分析方法计算车用气瓶漏热量，并结合理论计算和生产试验的结果，提出改进气瓶结构和增加颈管导热长度来提高气瓶绝热效果；刘凤阳在文献《复合材料LNG车用气瓶设计及有限元分析》中通过进行压力试验和工作状况下内部温度场的有限元仿真，预测了车用气瓶的临界失效压力和危险位置，从改进气瓶制造材料的角度提高气瓶的实用性；Yun S K等在文献《A Study on the Structural Analysisof the Supporting System for LNG Vehicle Fuel Tank》(LNG汽车油箱支撑系统结构分析研究)中运用ANSYS对油箱支撑系统进行温度分布和热应力评估，根据分析结果对支撑板的设计提出意见和建议；Kwon H W等在文献《Design and Optimization of Vibration-resistant and Heat-insulating Support Structure of Fuel Cylinder for LNGVehicles》(LNG车辆燃油缸的防振隔热支撑结构设计与优化)中使用MSC/MARC商业有限元分析软件包对车用气瓶进行振动模式，传热和热应力分析，提出通过合理确定支撑杆的直径和绝缘板连接的曲率来优化设计气瓶的抗振隔热支撑结构。
目前，针对车用气瓶的研究主要集中在气瓶自身的应力分布、绝热性能、振动特征等方面，学者们希望通过对气瓶以上这些特性的研究，找到可能导致气瓶失效的薄弱环节和工作状态，进而通过优化设计的方法予以改进。当前，采用三维数值模拟的方式对车用气瓶外流场进行分析研究的实例较少，尤其是针对车用气瓶火烧危险情境下外部流场情况的研究更是寥寥无几，显然地，此项研究对于气瓶外流场中的设备设施和其他人员的安全具有重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法。采用三维数字化建模软件，充分考虑研究对象的各项信息特征，建立车用气瓶及其外部流场区的三维几何模型，弥补了传统二维模型部分信息缺失和遗漏对计算结果精确性的不利影响；运用通用有限元分析软件ANSYS中的Fluent模块对车用气瓶火烧状态下外部流场区域进行数值分析研究，极大地提高了计算的效率，节约了研究的成本，提高了研究过程的安全性；系统高效地分析了车用气瓶外流场温度分布的情况，为提高火灾状况下的设备可靠性和人员安全性提供了有益的指导和借鉴。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，包括以下步骤：
步骤一、使用三维数字化建模软件建立车用气瓶及其外部流场区三维模型；
步骤二、使用ANSYS-FLUENT读取构造好的车用气瓶及其外部流场区三维模型，在ANSYS-FLUENT的几何(Geometry)模块中执行填充(Fill)操作，生成计算域三维模型；
步骤三、使用ANSYS-FLUENT读取生成的计算域三维模型，在ANSYS-FLUENT的网格(Mesh)模块中选取网格划分的方式，设置网格划分的尺寸，对整个计算域进行网格划分，生成计算域有限元模型；
步骤四、使用ANSYS-FLUENT读取计算域有限元模型，在ANSYS-FLUENT的设置(Setup)模块中选取火焰燃烧模型，确定计算反应速度的方法，设置计算的初始状态和边界条件，在ANSYS-FLUENT的求解(Solution)模块中进行求解计算，直至计算结果收敛且特定监测值稳定为止；
步骤五、步骤四求解计算完成以后，进入ANSYS-FLUENT的结果(Results)后处理模块观察和分析计算结果，得到车用气瓶外部流场的温度分布情况。
优选的，步骤一所述的三维数字化建模软件是SOLIDWORKS，建立车用气瓶及其外部流场区三维模型包括在SOLIDWORKS绘图区的基准面上运用草图工具绘制车用气瓶及其外部流场的二维外形轮廓，定义二维图形尺寸，运用拉伸、旋转、镜像等特征工具实现二维外形轮廓的立体化和构成部件的组合成型，生成车用气瓶及其外部流场区三维模型。
优选的，步骤二所述的计算域是指车用气瓶外部一定范围内流速、温度、压力分布的区域，即车用气瓶的外部流场区。
优选的，步骤三所述的网格划分方式是指选用尺寸均匀、数量在105级别、过渡平滑的四面体网格，设置网格的最大面尺寸(Max Face size)为默认值的一半左右来细化网格，达到既保证计算结果的精确性又不过度消耗计算机资源的效果。
优选的，步骤四中所述火焰燃烧模型是指通用有限速率(Species-Transport)模型；所述计算反应速度的方法是指涡耗散(Eddy-Dissipation)模型；所述计算的初始状态包括设置能量方程状态，选定湍流模型的种类，设定混合物属性；所述边界条件包括进出口速度、湍流规范方法、物料质量分数。
优选的，所述湍流模型是指标准的k-ε模型，该模型满足下述表达式：
式中，ρ为流体的密度；t为时间；k为湍动能；ε为扩散率；μ为流体的动力粘度；ui为流体速度在某个方向的分量；xi、xj为不同的方向分量；μτ为湍流或涡流粘度；Gk为由于平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为由于浮力产生的湍流动能；YM为在不可压缩湍流中脉动膨胀对整体扩散率的贡献；σk、σε为k和ε的普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε为常数项；Sk和Sε为用户自定义源项。
优选的，所述混合物属性是指设置发生燃烧反应并释放出火焰的可燃物为甲烷和空气的混合物。
优选的，步骤四中所述计算结果收敛的判断标准是残差值都降至低于标准值的10-3；所述特定监测值是指气瓶外表面的温度。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明方法充分地考虑了车用气瓶及其外部流场区域的三维数据信息，率先提出运用有限元分析的方法为提高火灾状况下车用气瓶外流场区域的设备和人员安全性提供可靠的技术支持。本发明采用三维数字化建模的方法建立车用气瓶及其外部流场区域的几何模型，弥补了传统二维模型部分信息缺失遗漏显著降低计算结果精确性的缺陷，运用通用有限元分析软件ANSYS中的Fluent模块对车用气瓶火烧状态下外部流场区域进行数值分析研究，系统高效地获取了车用气瓶外流场温度分布的情况，极大地提高了计算的效率，节约了研究的成本，提高了研究过程的安全性。
附图说明
图1是本实施例的一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法的流程图；
图2是本实施例的车用气瓶及其外部流场区的三维模型图；
图3是本实施例的车用气瓶外部流场区的计算域三维模型图；
图4是本实施例的车用气瓶外部流场区的计算域有限元模型图；
图5是本实施例的车用气瓶外部流场区温度分布复合线图；
图6是本实施例中火焰初始喷射速度为10m/s车用气瓶外部流场区温度分布峰值云图；
图7是本实施例中火焰初始喷射速度为20m/s车用气瓶外部流场区温度分布峰值云图；
图8是本实施例中火焰初始喷射速度为30m/s车用气瓶外部流场区温度分布峰值云图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的实施方式不限于此。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
该实施例的车用气瓶是某公司生产的型号为CDPW550-365-1.6型的S30408奥氏体不锈钢制汽车用液化天然气气瓶。气瓶的主要外形尺寸有：内胆的公称直径为550mm、筒体长度为1315mm，外壳的公称直径为600mm、筒体长度为1460mm，内胆前后封头均为椭圆形封头，外壳前后封头均为蝶形封头，内胆筒体和封头的名义厚度为3.5mm，外壳筒体和封头的名义厚度为3mm。气瓶的公称容积为365L，净重约195kg，内胆工作温度为-162℃。考虑到气瓶的某些细微结构对气瓶的外流场分析基本不造成影响，我们对气瓶结构做了必要的简化，将其看作是一个由内胆、绝热层和外壳三层结构组成的圆柱形并带有前后封头的密闭罐体。
该实施例的车用气瓶外部流场区域是一个底面直径和高度均为10m的圆柱体区域，火焰从圆柱体底面中央的一个直径和高度均为0.1m的细管中以一定的初始速度V0喷出，并作用于火焰正上方与火焰喷射口直线距离为d的卧式车用气瓶，气瓶轴线与火焰轴线一致，车用气瓶外部流场区域沿气瓶横截面和纵截面均呈对称分布。
如图1所示，一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，包括以下步骤：
步骤一、使用三维数字化建模软件SOLIDWORKS按照上段所述的车用气瓶、车用气瓶外流场和火焰喷射口的外形尺寸以及三者之间的位置关系建立起车用气瓶及其外部流场区三维模型，如图2所示；
步骤二、使用ANSYS-FLUENT读取建立好的如图2所示的车用气瓶及其外部流场区三维模型，在ANSYS-FLUENT的几何(Geometry)模块中执行填充(Fill)操作，生成车用气瓶外部一定范围内流速、温度、压力分布区域即计算域的三维模型，图3所示即为计算域三维模型图；
步骤三、使用ANSYS-FLUENT读取生成的如图3所示的计算域三维模型，在ANSYS-FLUENT的网格(Mesh)模块中设置关联中心缺省值(Relevance Center)为优良(Fine)，设置平滑度(Smoothing)为高(High)，设置过渡(Transition)为缓慢(Slow)，缩小网格最大面尺寸(Max Face Size)数值到默认值的一半左右，对整个计算域进行网格划分，得到尺寸均匀、数量适中、过渡平滑的四面体网格，整个计算域的网格单元总数为62万左右，生成计算域有限元模型，如图4所示；
步骤四、使用ANSYS-FLUENT读取如图4所示的计算域有限元模型，在ANSYS-FLUENT的设置(Setup)模块中打开能量方程，选用标准的k-ε模型作为湍流模型，选定通用有限速率(Species-Transport)模型作为火焰燃烧模型，选用涡耗散(Eddy-Dissipation)模型计算反应速度。设定混合物属性为甲烷-空气(methane-air)，即生成火焰的可燃性气体为纯甲烷气体，燃烧反应看作是甲烷和空气中氧气的单步完全反应，火焰燃烧环境设定为无风，同时考虑重力的影响。设置火焰喷射的初始速度V0和出口壁面混合气体中O2、CO2和H2O的质量分数，在ANSYS-FLUENT的求解(Solution)模块中进行求解计算，当所有残差值都降至低于标准值的10-3且气瓶外表面的温度监测值稳定时计算即可终止；
考虑到工程实际中流动问题的多样性和数值计算的封闭性，标准的k-ε湍流模型满足下述表达式：
式中，ρ为流体的密度；t为时间；k为湍动能；ε为扩散率；μ为流体的动力粘度；ui为流体速度在某个方向的分量；xi、xj为方向分量；μτ为湍流或涡流粘度；Gk为由于平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为由于浮力产生的湍流动能；YM为在不可压缩湍流中脉动膨胀对整体扩散率的贡献；σk、σε为k和ε的普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε为常数项；Sk和Sε为用户自定义源项。
步骤五、步骤四求解完成以后，进入ANSYS-FLUENT的结果(Results)后处理模块，读取火焰喷射初始速度V0分别为10m/s、20m/s、30m/s，火焰喷射口与车用气瓶中心距离d为1m～9m时车用气瓶外部流场面积加权平均温度的计算结果，汇总拟合得到车用气瓶外部流场区温度分布复合线图，如图5所示。由图5可知，当火焰初始喷射速度V0分别取10m/s、20m/s、30m/s，气瓶外流场面积加权平均温度达到峰值时，气瓶中心与火焰喷射口的距离取值分别约为2.5m、3m和5m，气瓶外流场面积加权平均温度取得峰值时YZ平面的温度云图分别如图6、图7、图8所示。
由图5可知，无论火焰初始喷射速度取何值，外流场平均温度在总体上总是随着火焰喷射口与气瓶中心距离的增加呈现一个先增后降的总体趋势，且由图6、图7、图8可知，火焰初始喷射速度越高，平均温度峰值越大，达到峰值时火焰喷射口与气瓶中心的距离取值越大，高温区域(1500K)范围也越大。气瓶外流场的这种温度分布特征符合Beltram等人在文献《Soot and NO formation in methane-oxygen enriched diffusion flames》(富集甲烷-氧的扩散火焰中的烟尘和NO形成)中对甲烷在氧气充足的环境中发生燃烧反应时，扩散火焰由内向外分为两层，即黄色火焰区和蓝色火焰区，温度逐渐升高，并且氧气越充足则高温区域的范围越宽的相关研究，这从侧面有力地证实了数值模拟结果的准确性和有效性。
通过分析气瓶外流场温度随火焰喷射速度、气瓶与火焰喷射口之间的距离变化呈现出的规律特点，结合气瓶外流场温度云图，就能为多种火灾情景下气瓶外流场区域的救援逃生路线的制定提供有效的参考和借鉴。如真必要，可以在后处理模块随时调取某点的温度变化情况或是在计算进程中对某点的情况设置监测实现对点源的实时监控，提高结果分析的针对性和精准性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合等均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、使用三维数字化建模软件建立车用气瓶及其外部流场区三维模型；
步骤二、使用ANSYS-FLUENT读取构造好的车用气瓶及其外部流场区三维模型，在ANSYS-FLUENT的几何(Geometry)模块中执行填充(Fill)操作，生成计算域三维模型；所述的计算域是指车用气瓶外部一定范围内流速、温度、压力分布的区域，即车用气瓶的外部流场区；
步骤三、使用ANSYS-FLUENT读取生成的计算域三维模型，在ANSYS-FLUENT的网格(Mesh)模块中选取网格划分的方式，设置网格划分的尺寸，对整个计算域进行网格划分，生成计算域有限元模型；
步骤四、使用ANSYS-FLUENT读取计算域有限元模型，在ANSYS-FLUENT的设置(Setup)模块中选取火焰燃烧模型，确定计算反应速度的方法，设置计算的初始状态和边界条件，在ANSYS-FLUENT的求解(Solution)模块中进行求解计算，直至计算结果收敛且特定监测值稳定为止；所述火焰燃烧模型是指通用有限速率(Species-Transport)模型；所述计算反应速度的方法是指涡耗散(Eddy-Dissipation)模型；所述计算的初始状态包括设置能量方程状态，选定湍流模型的种类，设定混合物属性；所述边界条件包括进出口速度、湍流规范方法、物料质量分数；所述湍流模型是指标准的k-ε模型，该模型满足下述表达式：
式中，ρ为流体的密度；t为时间；k为湍动能；ε为扩散率；μ为流体的动力粘度；ui为流体速度在某个方向的分量；xi、xj为不同的方向分量；μτ为湍流或涡流粘度；Gk为由于平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为由于浮力产生的湍流动能；YM为在不可压缩湍流中脉动膨胀对整体扩散率的贡献；σk、σε为k和ε的普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε为常数项；Sk和Sε为用户自定义源项；
步骤五、步骤四求解计算完成以后，进入ANSYS-FLUENT的结果(Results)后处理模块观察和分析计算结果，得到车用气瓶外部流场的温度分布情况。
2.根据权利要求1所述的一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，其特征在于，步骤一所述的三维数字化建模软件是SOLIDWORKS，建立车用气瓶及其外部流场区三维模型包括在SOLIDWORKS绘图区的基准面上运用草图工具绘制车用气瓶及其外部流场的二维外形轮廓，定义二维图形尺寸，运用拉伸、旋转、镜像的特征工具实现二维外形轮廓的立体化和构成部件的组合成型，生成车用气瓶及其外部流场区三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，其特征在于，步骤三所述的网格划分方式是指选用尺寸均匀、数量在105级别、过渡平滑的四面体网格，设置网格的最大面尺寸(Max Face size)为默认值的一半来细化网格，达到既保证计算结果的精确性又不过度消耗计算机资源的效果。
4.根据权利要求1所述的一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，其特征在于，所述混合物属性是指设置发生燃烧反应并释放出火焰的可燃物为甲烷和空气的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种车用气瓶在火烧状态下外部流场温度获取的优化方法，其特征在于，步骤四中所述计算结果收敛的判断标准是残差值都降至低于标准值的10-3；所述特定监测值是指气瓶外表面的面积加权平均温度。
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