CN116127869A - 一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法 - Google Patents

一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压储氢气瓶失效预测，旨在提供一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法。包括下述过程：建立火灾条件下储氢气瓶火烧场景数值模型；建立基于流‑热‑固多物理场耦合的气瓶有限元模型；基于最大应力失效准则的火烧过程储氢气瓶损伤状态分析。本发明通过关联ANSYS流体分析模块、热分析模块及结构分析模块，实现流‑热‑固多物理场耦合及火烧过程储氢气瓶的损伤状态分析，该方法弥补了传统气瓶火烧试验危险性大、成本高、耗时长的问题，同时能系统高效地对火灾极端条件下储氢气瓶的损伤状态进行预测。

Description

一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法
技术领域
本发明属于高压储氢气瓶失效预测领域，尤其涉及一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法。
背景技术
作为目前氢燃料电池汽车领域最常用的车载储氢方式，复合材料储氢气瓶具有广泛的应用前景。由于氢气的易燃易爆性，车载储氢气瓶在使用过程中易发生氢气泄漏而导致的火灾事故，进而受到火烧的极端损伤。为提升储氢气瓶的安全性，需要对气瓶在火烧过程中的损伤状态进行分析，并预测气瓶的耐火时间及爆破压力，作为提升储氢气瓶耐火性能优化设计的评估依据。
目前，火灾条件下储氢气瓶的损伤研究以气瓶火烧试验为主，[Halm D,etal.Composite pressure vessels for hydrogen storage in fire conditions:Firetests and burst simulation[J](火灾条件下储氢气瓶的火烧试验及爆炸模拟)]对36L储氢气瓶进行了火烧试验，通过对气瓶复合材料层内热电偶的监测，记录了复合材料层的温度变化规律和爆炸时间，从而得到不同内压下气瓶的耐火性能。[Kashkarov S,etal.Effect of a heat release rate on reproducibility of fire test for hydrogenstorage cylinders[J](热释放速率对储氢气瓶火烧试验重复性的影响)]采用36L/700bar、72.4L/350bar和100L/700bar的气瓶，选用包括预混式甲烧-空气燃烧器、非预混式丙烷燃烧器和庚烷池火的火源类型，研究气瓶容积、充装压力和火源类型对气瓶耐火极限的影响。[Tamura Y,et al.The residual strength of automotive hydrogen cylindersafter exposure to flames[J](火灾条件下车载储氢气瓶的剩余强度)]对未安装安全泄放装置的储氢气瓶进行火烧试验，在气瓶接近泄漏或爆炸前停止火烧并迅速进行冷却，获取此时气瓶的损伤状态及剩余爆破压力。
现有技术中的火烧试验方法能够准确地得到储氢气瓶在火烧过程的损伤状态及耐火性能，但试验危险性大、成本高且耗时长，同时针对火灾条件下储氢气瓶损伤状态的数值模拟研究较少，缺乏基于流-热-固耦合的气瓶火烧过程损伤分析方法，无法系统高效地对气瓶耐火时间及爆破压力进行预测。因此，提出一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法具有重要的工程应用价值。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法。
为实现本发明目的，本发明提供的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，包括以下步骤：
步骤1、建立火灾条件下储氢气瓶火烧场景数值模型，对储氢气瓶火烧场景数值模型进行求解，得到火烧过程储氢气瓶内外流场整体温度及压力分布；
步骤2、建立基于流-热-固多物理场耦合的气瓶有限元模型，并基于气瓶有限元模型进行气瓶力学响应分析，计算火烧过程中储氢气瓶的纤维方向最大应力；
步骤3、基于最大应力失效准则进行火烧过程储氢气瓶的损伤状态分析，得到储氢气瓶的气瓶耐火时间和气瓶爆破压力。
优选的，步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：基于ANSYS流体分析模块建立含储氢气瓶固体域及气瓶内外部流体域的气瓶火烧场景几何模型并进行网格划分；
步骤1.2：定义材料属性，建立气瓶火烧过程的湍流模型、燃烧模型和辐射模型，并设置求解方法、边界条件和初始化条件；
步骤1.3：对建立的数值模型进行求解计算，得到火烧过程气瓶内外流场整体温度及压力分布。
优选的，步骤1.1中还可以通过三维建模软件来建立几何模型。
优选的，步骤1.2包括以下子步骤：
步骤1.2.1：定义材料属性，包括燃料-空气混合物、瓶内气体及气瓶固体材料的热物理参数；
步骤1.2.2：建立Realizable k-ε湍流模型，并引入增强壁面函数进行近壁面处理，并考虑压力梯度效应和热效应；对湍流模型进行曲率修正，并考虑浮力效应的影响：
步骤1.2.3：建立Eddy-Dissipation燃烧模型
步骤1.2.4：建立DO辐射模型；
步骤1.2.5：设置求解方法为SIMPLE算法，压力采用二阶格式，密度、动量、湍流动能、湍流耗散率、物质组分、能量及辐射采用一阶迎风格式；边界条件包括入口燃料速度及温度、出口压力及温度、边界物质组分质量分数、地面温度；初始化条件包括初始组分质量分数、环境初始温度、气瓶内部初始压力。
优选的，步骤1.2.2中的所述Realizable k-ε湍流模型为
Figure BDA0004045956610000031
Figure BDA0004045956610000032
式中：t为时间，ρ为密度，k为湍流动能，xy为y方向的轴向坐标，uy为y方向的轴向速度分量，μ为分子黏度，μt为湍流黏度，S为变形张量的标量度量，v为分子运动黏度，σk和σε分别为k和ε对应的普朗特常数，Gk为由于平均速度梯度而产生的湍流动能，Gb为浮力产生的湍流动能，ε为湍流耗散率，YM为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的作用，Sk和Sε为用户定义的源项，C1、C2、C1ε和C3ε均为常数。
优选的，步骤1.2.3中所述Eddy-Dissipation燃烧模型为
物质i在反应r中的生成速率Ri,r由下述两个表达式中的较小值得出：
Figure BDA0004045956610000033
Figure BDA0004045956610000034
式中，i为某一反应物，r为某一反应，vi′,r为反应物i在反应r中的化学计量系数，Mw,i为反应物i的分子量，A为经验常数，取值为4.0，R为反应物，YR为反应物R的质量分数，v′R,r为反应物R在反应r中的化学计量系数，Mw,R为反应物R的分子量，B为经验常数，取值为0.5，P为任意生成物，YP为任意生成物P的质量分数，j为某一生成物，N为化学物质的总数，v′j′,r为某一生成物j在反应r中的化学计量系数，Mw,j为某一生成物j的分子量。
优选的，步骤1.2.4中的所述DO辐射模型为
Figure BDA0004045956610000035
式中：
Figure BDA0004045956610000036
为一个量对所选坐标系中所有方向的偏导数，
Figure BDA0004045956610000037
为位置向量，
Figure BDA0004045956610000038
为方向向量，
Figure BDA0004045956610000039
为散射方向向量，s为路径长度，a为吸收系数，n为折射率，σs为散射系数，σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数，I为辐射强度，与位置r和s有关，T为当地温度，Φ为相位函数，Ω′为立体角。
优选的，步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：基于ANSYS热分析模块建立储氢气瓶几何模型并进行网格划分；
步骤2.2：关联ANSYS材料模块、流体分析模块、热分析模块及结构分析模块，基于模块间的数据传递，实现流-热-固多物理场的耦合，得到流-热-固多物理场耦合的气瓶有限元模型，具体为：将材料模块定义的气瓶固体材料热物理参数及力学性能参数传递至热分析模块；将热分析模块建立的含网格划分及材料属性设置的气瓶有限元模型传递至结构分析模块；将流体分析模块得到的气瓶内外壁面温度传递至热分析模块，热分析模块基于气瓶内外壁面温度进行热响应分析得到气瓶整体热载荷，将气瓶整体热载荷传递至结构分析模块；将流体分析模块得到的气瓶内壁面压力传递至结构分析模块；
步骤2.3：基于ANSYS结构分析模块对气瓶有限元模型进行边界条件及约束设置，进行气瓶力学响应分析，计算火烧过程气瓶的纤维方向最大应力。
优选的，步骤2.3中所述约束包括气瓶整体热载荷、气瓶内壁面压力载荷及气瓶瓶口三个方向(x、y、z)的位移约束。
优选的，步骤3具体包括以下子步骤：
步骤3.1：建立基于最大应力失效准则的气瓶损伤判据：
|σx|＜Xt(Xc)
式中：σx为纤维方向最大应力，Xt为纤维方向的拉伸强度，Xc为纤维方向的压缩强度；在火灾条件下气瓶受到外壁面热载荷和内壁面压力载荷的共同作用，其失效形式主要表现为纤维拉伸断裂。因此以气瓶纤维方向最大应力σx作为主要失效判据，与纤维方向拉伸强度Xt进行对比，当σx≥Xt时，判定气瓶发生失效；
步骤3.2：建立火烧过程储氢气瓶损伤预测方法，具体为：首先，导入初始火烧时间点气瓶内外壁面温度至热分析模块，得到初始火烧时间点气瓶整体热载荷；其次，导入初始火烧时间点气瓶整体热载荷及气瓶内壁面压力载荷至结构分析模块；再者，设置气瓶边界条件及约束，对气瓶纤维方向最大应力σx进行求解计算；之后，增加火烧时间，重复上述步骤，得到火烧过程气瓶纤维方向最大应力σx，火烧时间及气瓶内部压力的关系曲线；最后，基于最大应力失效准则判断气瓶失效状态，当气瓶纤维方向最大应力σx≥纤维方向拉伸强度Xt时，则认为气瓶发生失效，此时，气瓶失效点对应的火烧时间即为气瓶耐火时间，对应的气瓶内部压力即为气瓶爆破压力。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
(1)本发明通过关联ANSYS流-热-结构分析模块实现储氢气瓶火烧过程的多物理场耦合模拟，系统还原了气瓶火烧过程，受热载荷作用下气瓶热响应过程以及受热-结构载荷共同作用下气瓶力学响应过程，基于最大应力失效准则对气瓶火烧过程的损伤状态进行分析，实现对气瓶耐火时间及爆破压力的预测。
(2)本发明方法弥补了传统火烧试验方法危险性大、成本高且耗时长的问题，相比现有技术更加系统高效、适用范围广，为提升储氢气瓶耐火性能优化设计提供评估依据，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种火灾条件下储氢气瓶损伤状态预测方法流程示意图；
图2为本发明实施例的储氢气瓶固体域及内外流体域几何模型图；
图3为本发明实施例的储氢气瓶固体域及内外流体域网格划分图；
图4为本发明实施例的储氢气瓶火烧过程流场温度分布云图；
图5为本发明实施例的火烧过程瓶内气体模拟压力与试验压力对比图；
图6为本发明实施例的储氢气瓶纤维方向最大应力-火烧时间关系曲线图；
图7为本发明实施例的储氢气瓶纤维方向最大应力-气瓶内部压力关系曲线图。
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。
请参阅图1，本发明提供的一种火灾条件下储氢气瓶损伤状态预测方法，包括以下步骤：
步骤1：建立火灾条件下储氢气瓶火烧场景数值模型，对储氢气瓶火烧场景数值模型进行求解，得到火烧过程气瓶内外流场整体温度及压力分布。
本步骤具体包括以下子步骤：
步骤1.1：基于ANSYS流体分析模块建立含储氢气瓶固体域及气瓶内外部流体域的气瓶火烧场景几何模型并进行网格划分。
在本发明的其中一些实施例中，根据储氢气瓶火烧试验的具体场景[Tamura Y,etal.Development and Characteristics of a Burner for Localized Fire Tests andan Evaluation of Those Fire Tests[J](局部火烧试验用燃烧器的研制、特性及其评价)]，基于ANSYS流体分析模块建立含储氢气瓶固体域及气瓶内外部流体域的气瓶火烧场景几何模型，基于对几何模型形状复杂性的考虑，对储氢气瓶及其内部流场域进行六面体网格划分，对气瓶外部流场域进行四面体网格划分；完成网格划分后对地面、燃料入口及外部流场边界进行边界条件命名。
在本发明的其中一些实施例中，所建立的气瓶火烧场景几何模型如图2所示。其中，储氢气瓶由铝合金内胆层和碳纤维环氧树脂复合材料层组成，筒体长度800mm，外径150mm，复合材料层厚度11mm，内胆层厚度3.1mm，瓶口外径80mm，瓶口内径51.8mm；气瓶外部流场域为直径10000mm的半球区域，燃料从半球区域底面中心处的燃料入口进入流场区域，气瓶水平放置在燃料入口区域上方100mm处，可以理解的是，前述具体的数值只是一个具体的示例，并不构成对保护范围的限制。进行网格划分后的模型如图3所示。
在本发明的其中一些实施例中，还可以采用三维建模软件来建立几何模型，如SolidWorks、ProE。
步骤1.2：定义材料属性，建立气瓶火烧过程的湍流模型、燃烧模型和辐射模型，并设置求解方法、边界条件和初始化条件。具体为：
(a)定义材料属性，包括在Fluent混合材料数据库中选择丙烷-空气混合物，在NIST真实气体材料库中导入氦气作为瓶内气体，添加铝合金材料并对其密度、比热容和导热系数进行常值设置，添加碳纤维环氧树脂材料并对其密度、比热容和导热系数进行分段线性设置。
(b)建立Realizable k-ε湍流模型，并引入增强壁面函数进行近壁面处理，并考虑压力梯度效应和热效应；并对湍流模型进行曲率修正，并考虑浮力效应的影响，其中，增强壁面函数、考虑压力梯度效应和热效应、湍流模型的曲率修正、考虑浮力效应的影响等均可直接在fluent软件进行设置。
其中，Realizable k-ε湍流模型为：
Figure BDA0004045956610000061
Figure BDA0004045956610000062
式中：t为时间，ρ为密度，k为湍流动能，xy为y方向的轴向坐标，uy为y方向的轴向速度分量，μ为分子黏度，μt为湍流黏度，S为变形张量的标量度量，v为分子运动黏度，σk和σε分别为k和ε对应的普朗特常数，Gk为由于平均速度梯度而产生的湍流动能，Gb为浮力产生的湍流动能，ε为湍流耗散率，YM为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的作用，Sk和Sε为用户定义的源项，C1、C2、C1ε和C3ε均为常数。
(c)建立Eddy-Dissipation燃烧模型
反应物i在反应r中的反应速率Ri,r由下述两个表达式中的较小值得出：
Figure BDA0004045956610000071
Figure BDA0004045956610000072
式中，i为某一反应物，r为某一反应，vi′,r为反应物i在反应r中的化学计量系数，Mw,i为反应物i的分子量，A为经验常数，取值为4.0，R为特定反应物，YR为特定反应物R的质量分数，v′R,r为特定反应物R在反应r中的化学计量系数，Mw,R为反应物R的分子量，B为经验常数，取值为0.5，P为任意生成物，YP为任意生成物P的质量分数，j为某一生成物，N为化学物质的总数，v′j′,r为某一生成物j在反应r中的化学计量系数，Mw,j为某一生成物j的分子量。
(d)建立DO辐射模型
Figure BDA0004045956610000073
式中：
Figure BDA0004045956610000074
为一个量对所选坐标系中所有方向的偏导数，
Figure BDA0004045956610000075
为位置向量，
Figure BDA0004045956610000076
为方向向量，
Figure BDA0004045956610000077
为散射方向向量，s为路径长度，a为吸收系数，n为折射率，σs为散射系数，σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数，I为辐射强度，与位置
Figure BDA0004045956610000078
和s有关，T为当地温度，Φ为相位函数，Ω′为立体角。
(e)设置求解方法为SIMPLE算法，压力采用二阶格式，密度、动量、湍流动能、湍流耗散率、物质组分、能量及辐射采用一阶迎风格式。设置边界条件包括入口燃料速度为1.2m/s，温度为1000K，燃料为C3H8，质量分数为1；出口压力为一个大气压，温度为273K，O2质量分数为0.21；地面温度为273K。C3H8初始质量分数为0，O2初始质量分数为0.21，CO2和H2O初始质量分数为0.01，环境初始温度为273K，气瓶内部初始压力为35.1MPa。
步骤1.3：完成模型参数设置后，对建立的数值模型进行求解计算，得到火烧过程储氢气瓶内外流场整体温度及压力分布。
在本发明的其中一些实施例中，得到的火烧过程储氢气瓶内外流场整体温度分布如图4所示。
将得到的瓶内气体压力随火烧时间的变化数据与试验结果进行对比，如图5所示，模拟结果与试验结果的最大相对误差为3.01％，符合工程应用范围。
步骤2：建立基于流-热-固多物理场耦合的气瓶有限元模型，并基于气瓶有限元模型进行气瓶力学响应分析，计算火烧过程气瓶的纤维方向最大应力。
本步骤包括以下子步骤：
步骤2.1：基于ANSYS热分析模块进行与步骤1.1相同的气瓶几何模型建立及网格划分。
步骤2.2：关联ANSYS材料模块、流体分析模块、热分析模块及结构分析模块，基于模块间的数据传递，实现流-热-固多物理场的耦合，得到流-热-固多物理场耦合的气瓶有限元模型。具体为：将材料模块定义的气瓶固体材料热物理参数及力学性能参数传递至热分析模块；将热分析模块建立的含网格划分及材料属性设置的气瓶有限元模型传递至结构分析模块；将流体分析模块得到的气瓶内外壁面温度传递至热分析模块，热分析模块基于气瓶内外壁面温度进行热响应分析得到气瓶整体热载荷，将气瓶整体热载荷传递至结构分析模块；将流体分析模块得到的气瓶内壁面压力传递至结构分析模块。
步骤2.3：基于ANSYS结构分析模块对气瓶有限元模型进行边界条件及约束设置，进行气瓶力学响应分析，计算火烧过程气瓶的纤维方向最大应力。
在本发明的其中一些实施例中，约束设置包括气瓶整体热载荷、气瓶内壁面压力载荷及气瓶瓶口三个方向(x、y、z)的位移约束。
步骤3：基于最大应力失效准则进行火烧过程储氢气瓶损伤状态分析
本步骤包括以下子步骤：
步骤3.1：建立基于最大应力失效准则的气瓶损伤判据，具体为：
σx|＜Xt(Xc)
式中：σx为纤维方向最大应力，Xt为纤维方向的拉伸强度，Xc为纤维方向的压缩强度。在火灾条件下储氢气瓶受到外壁面热载荷和内壁面压力载荷的共同作用，其失效形式主要表现为纤维拉伸断裂。因此以气瓶纤维方向最大应力σx作为主要失效判据，与文献中调研的碳纤维环氧树脂复合材料纤维方向拉伸强度Xt(2480MPa)[Kim E-H,et al.Low-Velocity Impact and Residual Burst-Pressure Analysis of Cylindrical CompositePressure Vessels[J](复合材料压力容器的低速冲击与剩余爆破压力分析)]进行对比，当σx≥Xt时，判定气瓶发生失效。
步骤3.2：建立火烧过程储氢气瓶损伤预测方法，具体为：基于最大应力失效准则对气瓶耐火时间及爆破压力进行预测：首先，导入初始火烧时间点气瓶内外壁面温度至热分析模块，得到初始火烧时间点气瓶整体热载荷；其次，导入初始火烧时间点气瓶整体热载荷及气瓶内壁面压力载荷至结构分析模块；再者，设置气瓶边界条件及约束，对气瓶纤维方向最大应力σx进行求解计算；之后，增加火烧时间，重复上述步骤，得到火烧过程气瓶纤维方向最大应力σx，火烧时间及气瓶内部压力的关系曲线；最后，基于最大应力失效准则判断气瓶失效状态1·，当气瓶纤维方向最大应力σx≥纤维方向拉伸强度Xt时，则认为气瓶发生失效。此时，气瓶失效点对应的火烧时间即为气瓶耐火时间，对应的气瓶内部压力即为气瓶爆破压力。
在本发明的其中一些实施例中，如图6和图7所示，根据上述方法将模拟结果与试验结果进行对比[Tamura Y,et al.Development and Characteristics of a Burner forLocalized Fire Tests and an Evaluation of Those Fire Tests[J](局部火烧试验用燃烧器的研制、特性及其评价)]：气瓶耐火时间预测结果为275.6s，与试验结果(294s)相比最大相对误差为6.26％；气瓶爆破压力预测结果为50.2MPa，与试验结果(53.2MPa)相比最大相对误差为5.64％，符合工程应用范围。
最后，需要注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立火灾条件下储氢气瓶火烧场景数值模型，对储氢气瓶火烧场景数值模型进行求解，得到火烧过程储氢气瓶内外流场整体温度及压力分布；
步骤2、建立基于流-热-固多物理场耦合的气瓶有限元模型，并基于气瓶有限元模型进行气瓶力学响应分析，计算火烧过程中储氢气瓶的纤维方向最大应力；
步骤3、基于最大应力失效准则进行火烧过程储氢气瓶的损伤状态分析，得到储氢气瓶的气瓶耐火时间和气瓶爆破压力。
2.根据权利要求1所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：基于ANSYS流体分析模块建立含储氢气瓶固体域及气瓶内外部流体域的气瓶火烧场景几何模型并进行网格划分；
步骤1.2：定义材料属性，建立气瓶火烧过程的湍流模型、燃烧模型和辐射模型，并设置求解方法、边界条件和初始化条件；
步骤1.3：对建立的数值模型进行求解计算，得到火烧过程气瓶内外流场整体温度及压力分布。
3.根据权利要求2所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤1.1中还可以通过三维建模软件来建立几何模型。
4.根据权利要求2所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤1.2包括以下子步骤：
步骤1.2.1：定义材料属性，包括燃料-空气混合物、瓶内气体及气瓶固体材料的热物理参数；
步骤1.2.2：建立Realizable k-ε湍流模型，并引入增强壁面函数进行近壁面处理，并考虑压力梯度效应和热效应；对湍流模型进行曲率修正，并考虑浮力效应的影响：
步骤1.2.3：建立Eddy-Dissipation燃烧模型；
步骤1.2.4：建立DO辐射模型；
步骤1.2.5：设置求解方法为SIMPLE算法，压力采用二阶格式，密度、动量、湍流动能、湍流耗散率、物质组分、能量及辐射采用一阶迎风格式；边界条件包括入口燃料速度及温度、出口压力及温度、边界物质组分质量分数、地面温度；初始化条件包括初始组分质量分数、环境初始温度、气瓶内部初始压力。
5.根据权利要求4所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤1.2.2中的所述Realizable k-ε湍流模型为
Figure FDA0004045956600000021
Figure FDA0004045956600000022
式中：t为时间，ρ为密度，k为湍流动能，xy为y方向的轴向坐标，uy为y方向的轴向速度分量，μ为分子黏度，μt为湍流黏度，S为变形张量的标量度量，v为分子运动黏度，σk和σε分别为k和ε对应的普朗特常数，Gk为由于平均速度梯度而产生的湍流动能，Gb为浮力产生的湍流动能，ε为湍流耗散率，YM为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的作用，Sk和Sε为用户定义的源项，C1、C2、C1ε和C3ε均为常数。
6.根据权利要求4所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤1.2.3中所述Eddy-Dissipation燃烧模型为
物质i在反应r中的生成速率Ri,r由下述两个表达式中的较小值得出：
Figure FDA0004045956600000023
Figure FDA0004045956600000024
式中，i为某一反应物，r为某一反应，v′i,r为反应物i在反应r中的化学计量系数，Mw,i为反应物i的分子量，A为经验常数，R为反应物，YR为反应物R的质量分数，v′R,r为反应物R在反应r中的化学计量系数，Mw,R为反应物R的分子量，B为经验常数，P为任意生成物，YP为任意生成物P的质量分数，j为某一生成物，N为化学物质的总数，v″j,r为某一生成物j在反应r中的化学计量系数，Mw,j为某一生成物j的分子量。
7.根据权利要求4所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤1.2.4中的所述DO辐射模型为
Figure FDA0004045956600000025
式中：
Figure FDA0004045956600000031
为一个量对所选坐标系中所有方向的偏导数，
Figure FDA0004045956600000032
为位置向量，
Figure FDA0004045956600000033
为方向向量，
Figure FDA0004045956600000034
为散射方向向量，s为路径长度，a为吸收系数，n为折射率，σs为散射系数，σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数，I为辐射强度，与位置
Figure FDA0004045956600000035
和s有关，T为当地温度，Φ为相位函数，Ω′为立体角。
8.根据权利要求1所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：基于ANSYS热分析模块建立储氢气瓶几何模型并进行网格划分；
步骤2.2：关联ANSYS材料模块、流体分析模块、热分析模块及结构分析模块，基于模块间的数据传递，实现流-热-固多物理场的耦合，得到流-热-固多物理场耦合的气瓶有限元模型，具体为：将材料模块定义的气瓶固体材料热物理参数及力学性能参数传递至热分析模块；将热分析模块建立的含网格划分及材料属性设置的气瓶有限元模型传递至结构分析模块；将流体分析模块得到的气瓶内外壁面温度传递至热分析模块，热分析模块基于气瓶内外壁面温度进行热响应分析得到气瓶整体热载荷，将气瓶整体热载荷传递至结构分析模块；将流体分析模块得到的气瓶内壁面压力传递至结构分析模块；
步骤2.3：基于ANSYS结构分析模块对气瓶有限元模型进行边界条件及约束设置，进行气瓶力学响应分析，计算火烧过程气瓶的纤维方向最大应力。
9.根据权利要求8所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤2.3中所述约束包括气瓶整体热载荷、气瓶内壁面压力载荷及气瓶瓶口三个方向(x、y、z)的位移约束。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种火灾极端条件下储氢气瓶损伤预测方法，其特征在于，步骤3具体包括以下子步骤：
步骤3.1：建立基于最大应力失效准则的气瓶损伤判据：
|σx|＜Xt(Xc)
式中：σx为纤维方向最大应力，Xt为纤维方向的拉伸强度，Xc为纤维方向的压缩强度；在火灾条件下气瓶受到外壁面热载荷和内壁面压力载荷的共同作用，其失效形式主要表现为纤维拉伸断裂。因此以气瓶纤维方向最大应力σx作为主要失效判据，与纤维方向拉伸强度Xt进行对比，当σx≥Xt时，判定气瓶发生失效；
步骤3.2：建立火烧过程储氢气瓶损伤预测方法，具体为：首先，导入初始火烧时间点气瓶内外壁面温度至热分析模块，得到初始火烧时间点气瓶整体热载荷；其次，导入初始火烧时间点气瓶整体热载荷及气瓶内壁面压力载荷至结构分析模块；再者，设置气瓶边界条件及约束，对气瓶纤维方向最大应力σx进行求解计算；之后，增加火烧时间，重复上述步骤，得到火烧过程气瓶纤维方向最大应力σx，火烧时间及气瓶内部压力的关系曲线；最后，基于最大应力失效准则判断气瓶失效状态，当气瓶纤维方向最大应力σx≥纤维方向拉伸强度Xt时，则认为气瓶发生失效，此时，气瓶失效点对应的火烧时间即为气瓶耐火时间，对应的气瓶内部压力即为气瓶爆破压力。
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