CN116976098A - 一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法及反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法及反应器，其中方法包括先建立基于TPMS结构的初始反应器模型，然后建立包括力场模型的多物理场耦合模型，再根据不同的预设模拟条件，基于多物理场耦合模型，对初始反应器模型进行仿真模拟，得到初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征，最后根据应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于反应性能特征和应力分布特征的对应关系，基于应力损伤预测区域优化初始反应器模型，得到目标反应器模型。相比于现有技术，本发明解决了当代传统储氢反应器散热能力有限、因应力分布不均匀产生缺陷、微裂纹损伤等疲劳损伤的局限性问题。

Description

一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法及反应器
技术领域
本发明涉及储氢换热技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法及反应器。
背景技术
目前，化石能源的燃烧释放出大量的温室气体，导致全球气候的异常变化和极端天气的频繁发生，严重威胁着人类的生存。寻找对环境友好和更可持续的新能源，以逐步取代现有的化石燃料，对全球经济及可持续发展具有重要的作用。氢能源是一种新型无污染的清洁能源，如何实现安全而经济的储存运输是关键。在中等工作压力下实现快速充放氢从而快速散热提高储氢能力一直是金属氢化物储氢反应器的有待突破瓶颈。金属储氢合金吸放氢的过程中伴随着较大的吸放热，而生成的金属氢化物合金导热系数比较低，导致反应床整体导热系数很低。热量在储氢床体中的集聚或散失速度决定了床体的温度场分布，而温度场的变化又将直接影响储氢材料的吸放氢速度和容量。因此使储氢等新能源技术向小型化、轻量化及高性能化方向发展，对储氢系统中的热管理提出了更高需求。
TPMS(Triply Periodic Minimal Surface，三周期极小曲面结构)，由于其紧凑的设计和显著的热物理性质而引起了广泛的关注，主要在骨植入体、热管理系统、换热器等方面具有广泛的应用。TPMS将三维空间分隔为两个分离但相互渗透的通道，从而产生高表面积体积比和低流体动力阻力。因此，具有不同温度的两个流可以通过分离的通道并有效地交换热量。TPMS会产生复杂的流型，从而提高传热效率并防止结垢。TPMS可以在高温高压等苛刻的条件下工作，与增材制造技术结合使用能够创建兼具高强度与散热特性的多功能结构。基于TPMS结构储氢反应器设计国际上尚处于起步概念阶段，将为储氢材料开拓新的研究内容。
国内外基于TPMS结构热交换的研究仅仅停留在流体-传热两个场耦合，通过结构和流场设计，提高传热系数。在固态储氢过程中，热量吸收-合金吸收氢气，合金吸收氢气形成金属氢化物的过程中会放出大量的热，但是除了发生化学反应耦合，还会发生体积膨胀。逆过程同样应与化学反应和应力这两个场耦合，因为释放氢气后体积会收缩。这一由于体胀产生的应力分布不均匀引起的缺陷和微裂纹损伤问题严重影响了储氢容器的使用寿命，限制了固态储氢技术的推广应用。因此，对基于TPMS结构固态储氢反应器进行流动-传热-应力耦合分析研究是十分有必要的。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法及反应器，用以实现多物理场耦合作用下的基于TPMS的金属氢化物储氢反应器的设计，以解决材料内部应力分布不均匀引起的缺陷和微裂纹损伤问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，包括：
根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型；
建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型；
根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征；
根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。
进一步的，所述初始反应器模型包括反应器本体、多个极小曲面单元结构和两个延伸段，所述反应器本体内部中空并开设有反应物入口和反应物出口；多个所述极小曲面单元结构位于所述反应器本体内；所述延伸段为供流体流动的通道，两个所述延伸段分别连通于所述反应物入口和所述反应物出口，且均向背离所述反应器本体的方向延伸。
进一步的，所述预设反应器参数包括极小曲面单元结构种类、反应器规格、反应器材料和延伸段长度；所述根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型，包括：
根据所述极小曲面单元结构种类，得到所述极小曲面单元结构种类对应的极小曲面水平集方程；
根据所述极小曲面单元结构种类对应的极小曲面水平集方程，建立多个所述极小曲面单元结构；
根据所述反应器规格、所述反应器材料和所述延伸段长度，建立所述反应器本体和所述延伸段；
根据所述反应器本体、多个所述极小曲面单元结构和所述延伸段，得到所述初始反应器模型。
进一步的，所述建立多物理场耦合模型，包括：
根据预设流体定理，建立所述流场模型；
根据所述极小曲面单元结构种类、所述反应器规格和所述反应器材料，建立所述热场模型；
根据所述反应器材料，得到线弹性材料损伤参数；
根据所述极小曲面单元结构种类、所述反应器规格、所述反应器材料和所述线弹性材料损伤参数，建立所述力场模型；
根据所述流场模型、所述热场模型和所述力场模型，得到所述多物理场耦合模型。
进一步的，所述预设模拟条件包括入口温度，所述反应性能特征包括吸氢体积分数、反应器温度、换热效率和吸放氢能力，所述应力分布特征包括所述初始反应器模型中各个位置的应力随反应时间的变化情况。
进一步的，所述根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型，包括：
获取预设应力极限阈值；
根据所述应力分布特征，得到所述初始反应器模型中应力在不同位置处的大小变化情况以及应力在同一位置处、不同反应时间下的大小变化情况，基于所述预设应力极限阈值，得到所述应力损伤预测区域；
获取预设优化标准；
所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述预设优化标准，优化所述初始反应器模型，得到所述目标反应器模型。
进一步的，所述预设优化标准包括：
所述吸氢体积分数最大，同时所述应力损伤预测区域能达到的应力值最小。
第二方面，本发明还提供一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计装置，包括：
初始模型建立模块，用于根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型；
物理场模型建立模块，用于建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型；
仿真模拟模块，用于根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征；
结构优化模块，用于根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述任一项所述多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法中的步骤。
第四方面，本发明还提供一种反应器，其特征在于，应用于如上述任一项所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法设计并制造。
本发明提供一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法及反应器，其中方法包括先根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型，然后建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型，再根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征，最后根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。相比于现有技术，本发明针对TPMS优势，结合多物理场耦合作用完成金属氢化物储氢反应器设计方法，解决了当代传统储氢反应器散热能力有限、因应力分布不均匀产生缺陷、微裂纹损伤等疲劳损伤的局限性问题，进一步提高多层级极小曲面多孔储氢反应器的储氢能力，从而满足应用于航空航天、机械工程和高效热管理等领域的应用需求。
附图说明
图1为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例的方法流程图；
图2为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例中初始反应器模型的结构示意图；
图3为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例中初始反应器模型的前视图；
图4为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例中初始反应器模型内吸氢体积分数随时间变化结果示意图；
图5为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例中初始反应器模型受到的应力随不同位置变化结果示意图；
图6为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例中初始反应器模型应力分布不均产生断裂损伤结果示意图；
图7为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计装置一实施例的结构示意图；
图8为本发明提供的电子设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在阐述具体实施例之前，先对文中的一些名词做出解释：
TPMS：Triply Periodic Minimal Surface，即三周期极小曲面，是一类特殊的曲面结构。这些曲面具有以下特点：
循环性：TPMS在两个相对方向上都具有循环对称性，即它们可以经过平移和旋转得到自身。
极小性：TPMS曲面的平均曲率为零，意味着在每一点上曲面的凹凸程度平衡，不存在明显的局部极值。
零高斯曲率：TPMS曲面的高斯曲率等于零，表示曲面在各个方向上都没有弯曲。
由于这些特性，TPMS曲面具有许多美学和几何特点，被广泛研究和应用于各个领域，如材料科学、自组装、图形学和表面纳米技术等。常见的TPMS曲面包括洛伦兹曲线、黎曼曲线、球面、扭曲的立方体曲面等，它们展现出丰富多样的几何形态和结构特征。
可以理解的是，后文中出现的其他技术名词、英文缩写等均为现有技术，本领域技术人员能够根据上下文理解其意义，本文中因篇幅原因不做过多说明。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
目前国内外基于TPMS结构热交换的研究仅仅停留在流体-传热两个场耦合，常见的TPMS有Primitive结构，Gyroid结构，Diamond结构等等，其中采用最具有代表性的Gyroid结构，其既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比，且渗透性强，具有良好的热学性能。金属氢化物储氢原理是通过床体内金属氢化物MH将氢分子物理吸附在金属表面，解离成氢原子，之后氢原子扩散到金属晶格，形成固溶体MHx，然后大多数材料的MH转换成MHy。反应过程可表示为下式：
以上反应是可逆的，氢化反应需要加压或冷却，而减压或加热则有利于反脱氢反应过程。然而在固态储氢过程中，除了发生化学反应耦合，还会发生体积膨胀。本发明考虑了因体积膨胀或收缩产生的应力变化，且由于应力分布不均而产生可能的断裂或氢脆，能够更好地贴近生活中换热装置、储氢装置的服役环境与功能。容器一侧通入冷却流体，一侧通入氢气，提高储氢的容量及散热能力，并对储氢合金在吸氢膨胀时对容器壁产生局部应力集中造成的疲劳损伤进行预测，提高热交换器的耐疲劳性能。
本发明与传统储氢反应器相比，对基于TPMS结构固态储氢反应器进行了流动-传热-化学反应-应力多物理场耦合分析研究，内部的TPMS因其兼具高强度与散热特性的多功能多孔结构，具有消除热应力、提高换热反应装置疲劳寿命的特性，适用于国内外高端发动机、燃料电池、电子器件微流道散热等领域。
本发明提供了一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法、装置、电子设备及反应器，以下分别进行说明。
结合图1所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法一实施例，包括：
S101、根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型；
S102、建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型；
S103、根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征；
S104、根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。
与现有技术相比，本发明采用基于TPMS多孔结构的设计方法，壳体的内部安装有TPMS螺旋结构，内部储氢瓶装有金属氢化物储氢材料。解决了传统热交换器充放氢能力不足以及高温高压下金属力学性能下降导致在不可预知情况下诱发裂纹扩展或滞后断裂等问题，基于TPMS储氢换热器实现了在结构场、流场、温度场、固体力场等多个物理场下的耦合，对材料的断裂风险进行分析和评估，极大程度地避免了氢脆问题。
在一个优选的实施例中，所述初始反应器模型包括反应器本体、多个极小曲面单元结构和两个延伸段，所述反应器本体内部中空并开设有反应物入口和反应物出口；多个所述极小曲面单元结构位于所述反应器本体内；所述延伸段为供流体流动的通道，两个所述延伸段分别连通于所述反应物入口和所述反应物出口，且均向背离所述反应器本体的方向延伸。
在一个优选的实施例中，所述预设反应器参数包括极小曲面单元结构种类、反应器规格、反应器材料和延伸段长度；上述步骤S101、根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型，包括：
根据所述极小曲面单元结构种类，得到所述极小曲面单元结构种类对应的极小曲面水平集方程；
根据所述极小曲面单元结构种类对应的极小曲面水平集方程，建立多个所述极小曲面单元结构；
根据所述反应器规格、所述反应器材料和所述延伸段长度，建立所述反应器本体和所述延伸段；
根据所述反应器本体、多个所述极小曲面单元结构和所述延伸段，得到所述初始反应器模型。
本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述步骤S101：
本实施例中初始反应器模型内的多个极小曲面单元结构，便构成所述TPMS结构，整体TPMS可以通过数学表达式精准描述，孔隙率、比表面积等基本特性可以直接控制，进而提高多物理场耦合作用下的储氢反应器的换热性能和耐疲劳损伤性能。极小曲面单元结构(即TPMS结构)具备多个种类，常见的TPMS有Primitive结构，Gyroid结构，Diamond结构等，每个结构均可以用其对应的隐式的极小曲面水平集方程来描述，例如：
Gyroid:
sin(X)cos(Y)+sin(Y)cos(Z)+sin(Z)cos(X)＝C
Primitive:
cos(X)+cos(Y)+cos(Z)＝C
Diamond:
sin(X)sin(Y)sin(Z)+sin(X)cos(Y)cos(Z)+cos(X)sin(Y)cos(Z)
+cos(X)cos(Y)sin(Z)＝C
其中，X,Y和Z分别为笛卡尔坐标系下的三个变量，C为水平值，水平集值C的大小可以控制TPMS的拓扑结构，拓扑结构分为面结构和杆结构。
此外，本实施例中规定反应器孔径大小为6.5mm，高为40mm(即所述反应器规格，还包括形状等其他描述反应器大小形状特征的参数)，且在入口和出口处分别增加了长度为10mm(即所述延伸段长度)的延伸段，以便能够使流体在入口和出口得到充分发展和更有效的传热。反应器材料可选用不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金中的一种或多种。本实施例中定义反应储氢材料为LiNi5合金粉末，入口处通入H2，模拟金属氢化物储氢过程中吸放热过程。
本实施例选择Gyroid结构作为需要的极小曲面单元结构种类，根据其对应的极小曲面水平集方程，在三维空间进行等值面抽取，通过对曲面曲率进行精确调控，通过布尔运算、等值面抽取、曲面便宜、加厚处理等操作建立几何实体TPMS结构(即所述极小曲面单元结构)，然后通过有限元计算软件对上述结构进行有限元建模，最终便可得到带有极小曲面单元拓扑微结构及具有一定孔隙分布的目标反应器模型。
进一步的，在一个优选的实施例中，上述步骤S102、建立多物理场耦合模型，具体包括：
根据预设流体定理，建立所述流场模型；
根据所述极小曲面单元结构种类、所述反应器规格和所述反应器材料，建立所述热场模型；
根据所述反应器材料，得到线弹性材料损伤参数；
根据所述极小曲面单元结构种类、所述反应器规格、所述反应器材料和所述线弹性材料损伤参数，建立所述力场模型；
根据所述流场模型、所述热场模型和所述力场模型，得到所述多物理场耦合模型。
本实施例中，建立的多物理场耦合模型主要为流体流动-反应动力学-散热一体化多场耦合行为理论模型，其为流场、热场和力场的耦合，目的是通过数值方法实现典型储氢反应器优化设计，使得反应器使用时能够将内部热量及时传导散热，促进储氢反应正向进行，提高储氢能力。
本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述步骤S102：
具体地，本实施例运用有限元软件揭示各个物理场结构(流场-热场-力场)的联系，引入公式将流体流动过程和传热、化学反应等过程耦合起来。流场模型在于流体流动内部多孔介质引入达西定律，外部为简单地层流，流体流动过程中还需符合质量能量守恒，即所述预设流体定理包括达西定律、Van’t Hoff等式、质量守恒定律及能量守恒定律，具体为：
达西定律：
其中K是金属氢化物床的渗透率，μg是氢的动态粘度。
Van’t Hoff等式：
其中A和B表示Van’t Hoff常数，α和β分别是平台斜率和滞后因子。氢浓度(x)定义为通过将吸收的氢原子数除以储氢床中每摩尔合金的金属原子数(H/M)而获得的量。
质量守恒：
其中，ρt表示吸收过程中任何给定时间“t”的金属氢化物密度，ρss表示合金在饱和条件下完全转化为金属氢化物时固体材料的饱和密度。
能量守恒：
其中Q是热源项，Cp是比热，keff是有效热导率。其中Q，Cp，keff由以下公式得出：
(ρCp)eff＝ε·(ρCp)g+(1-ε)·(ρCp)m
keff＝εkg+(1-ε)km
热场模型是根据内部采用的多孔介质的TPMS结构(基于所述极小曲面单元结构种类)，考虑多孔介质传热(基于反应器规格和反应器材料)，给出设定的热源观察反应过程中热量变化。
力场模型是结合固体力学中线弹性材料的损伤(具体为根据反应器材料得到的线弹性材料损伤参数)，以通过设定应力最大值判断结果超出预定值的区域(基于极小曲面单元结构种类及反应器规格计算)。
进一步的，在一个优选的实施例中，上述步骤S103、根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征中，所述预设模拟条件包括入口温度，所述反应性能特征包括吸氢体积分数、反应器温度、换热效率和吸放氢能力，所述应力分布特征包括所述初始反应器模型中各个位置的应力随反应时间的变化情况。
本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述步骤S103：
TPMS曲面基元之间的不连续过渡会造成结构产生应力集中点，使得TPMS超构材料宏观性能降低。因此，上述过程主要为，保持动量、质量、能量守恒，对边界条件进行约束(即本实施例中的预设模型条件)，研究不同预设模拟条件下对极小曲面超构材料储氢反应器宏观热学性能(如吸氢体积分数X、温度T、应力大小P等)，即运用有限元分析软件对设计的初始反应器模型进行计算，得到仿真结果(例如包括吸氢体积分数、温差、应力大小等数据的结果云图)，并根据仿真结果得到反应性能特征和应力分布特征。
具体地，本实施例中不同预设模拟条件包括多个入口温度参数(273.15K，283.15K，293.15K，303.15K，313.15K)，在其余参数不变的情况下进行仿真计算。通过上述步骤能够有效构筑基于TPMS金属氢化物储氢反应器的参数结构与性能之间的关系能显著增强吸氢能力并尽可能消除应力集中点，且具有更好的耦合增强效果。
进一步的，在一个优选的实施例中，上述步骤S104、根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型，具体包括：
获取预设应力极限阈值；
根据所述应力分布特征，得到所述初始反应器模型中应力在不同位置处的大小变化情况以及应力在同一位置处、不同反应时间下的大小变化情况，基于所述预设应力极限阈值，得到所述应力损伤预测区域；
获取预设优化标准；
所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述预设优化标准，优化所述初始反应器模型，得到所述目标反应器模型。
在一个优选的实施例中，所述预设优化标准包括：
所述吸氢体积分数最大，同时所述应力损伤预测区域能达到的应力值最小。
本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述步骤S104：
上述过程主要为对设计的反应器的储氢能力进行定量化分析，以揭示内部极小曲面多孔通道对储氢能力的影响规律，对应力损伤部分进行合理预测，合理调控工艺参数进而形成实现高强度设计高效储氢的结构优选方案。
具体地，本实施例中将五种不同温度下的储氢反应器吸氢体积分数进行对比分析，以实现最大吸氢体积分数，最小应力损伤为目标(即所述预设优化标准)，对材料服役环境或参数大小(通过改变温度、储氢瓶所受应力大小)进行合理调控分析得出最理想的优化效果。
分析储氢反应器应力在不同位置处的大小变化以及在同一位置处不同时间的应力大小变化，获得应力大小变化趋势进而预测可能应力超过最大值而出现裂纹损伤的区域；上述过程将储氢反应器在相同时间时不同位置处的应力大小进行比较分析，可以判断不同位置处有可能会发生应力不集中导致的损伤情况。同时从结果云图反应的应力分布特征可以及时发现在同一位置上储氢反应器应力大小随时间分布情况，及时判断可能发生裂纹损伤的时间。最终可以得到应力损伤预测区域。
氢在上述应力损伤预测区域富集会促进该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展。因此后续可以针对上述区域，准确定位储氢反应器周围损伤部位，确定损伤严重程度，以对氢在材料中产生裂纹损伤的精确位置进行预测，进而进行优化改进(例如加厚、延长等)，最终得到目标反应器模型，以避免不必要的氢泄漏和结构故障，完成反应器的设计。
本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述步骤S101～S104：
步骤1：基于极小曲面水平集方程，通过在三维空间进行等值面抽取，对曲面曲率进行精确调控，运用布尔运算及曲面偏移等技术实现多级孔隙结构模型TPMS设计。建立以比强度最大化为目标的优化模型，以周期极小曲面微结构为优化对象，得到在多工况宏观应力下的比强度微结构拓扑设计，TPMS尺寸设计为长宽高均为20mm的Gyroid立方多孔结构。
步骤2：基于TPMS结构的储氢罐反应器(即初始反应器模型)的几何和尺寸特征如图2所示。切割成半径6.5mm，高为20mm的圆柱体(即反应器规格)。为了使流体在入口和出口得到充分发展和更有效的传热，在入口和出口处分别增加了长度为10mm的延伸段。假设管壁无滑动条件有效，且储存装置的上壁、下壁和侧壁均已隔热。其中一半注入氢气以模拟形成金属氢化物的反应过程，另一半注入常温水以实现有效的传热。注入温度均设置在273.15-313.15K，速度为5m/s，入口压力为1.49KPa。此外，使用多孔材料LaNi5作为储氢合金材料。
为了形象的说明本金属氢化物储氢罐内部结构，图中进一步的展示了冷、热流体区域，图3中标亮部分为H2入口处，与内部LaNi5反应释放大量的热量即为热流体区域，另一半则为冷却水输入部分即为冷流体区域。其中，氢化过程中的指前因子为59.73 1/s，脱氢过程中的指前因子为9.57 1/s。
步骤3：将设计文件导入前处理软件中进行制造参数设定，在给定边界条件的情况下，合金材料LaNi5有效热导率为2.4W/(m·K)，比热为419J/Kg K，密度为8200Kg/m3，孔隙率为0.5，达到饱和时的密度为8480Kg/m3，吸附活化能为21170J/mol，脱附活化能为16450J/mol，反应焓为28000J/mol。氢气密度为0.0838Kg/m3，比热为14283J/Kg K，热导率为0.1272W/(m·K)。在金属氢化物的热性质和物理性质(如渗透性和密度)被认为与床温度和氢气供应压力无关的情况下，在入口温度为283.15至303.15K可以获得较为优异的性能。
步骤4：采用数值模拟有限元方法，反应过程中极小曲面固体域的反应器内吸附氢气体积分数、氢气浓度随温度增加显著下降，沿X方向产生的膨胀应力呈现先增大后减小的趋势，且储氢反应床中下部产生的应力相对较大(即所述应力分布特征)。同时，由于反应器左侧快速形成氢化物，因此反应器左侧的平衡压力通常高于右侧的平衡压力。而反应堆左侧比右侧更快地达到平衡，这意味着储氢反应器更早地接近饱和。
步骤5：根据储氢反应器应力云图损伤区颜色深浅来确定在应力梯度作用下氢原子在材料内扩散或跟随位错运动向应力集中的区域，由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，在较浅区域应力逐渐加强，显示可能会产生应力集中，由此可对高氢区萌生出裂纹导致脆断进行预测并进行优化修改，可尽可能避免储氢过程中氢脆现象的发生。
上述方法中，在多物理场耦合作用下基于TPMS的金属氢化物储氢反应器，得到的吸氢体积分数为0.78713-0.90119，换热效率为176.55882-699.0393W/(m2·K)。
图4为储氢反应器内吸氢体积分数随时间变化结果示意图，从图4可以看出，随着入口温度的降低，储氢反应器的最大吸氢浓度显著增加，并最终保持稳定。此外，金属氢化物反应器表面的活性位点在低温下容易吸附氢分子。同时，相对较低的温度有利于保持金属氢化物的结构稳定性。然而，在高温下，反应器表面的活性位点容易被氢分子失活或破坏，导致吸附能力下降。因此，金属氢化物储氢通常在环境温度或更低的温度下进行，这更有利于储氢。图5为储氢反应器受到的应力在不同位置变化结果示意图，储氢反应床中下部产生的应力相对较大，沿X方向产生的膨胀应力呈现先增大后减小的趋势。图6为储氢反应器应力分布不均产生断裂损伤结果示意图，能够方便预测并定位容易发生氢脆产生裂纹的具体位置。解决了现有储氢换热器的散热效率慢且耐疲劳性能不稳定的问题。所以，本发明有效克服了现有储氢换热器的种种缺点而具有高度可预测价值。
为了更好实施本发明实施例中的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，在多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法基础之上，对应的，请参阅图7，图7为本发明提供的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计装置的一实施例的结构示意图，本发明实施例提供的一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计装置700，包括：
初始模型建立模块710，用于根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型；
物理场模型建立模块720，用于建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型；
仿真模拟模块730，用于根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征；
结构优化模块740，用于根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。
这里需要说明的是：上述实施例提供的对应的装置700可实现上述各方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。
请参阅图8，图8为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。基于上述多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，本发明还相应提供了一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800，即上述电子设备，多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800包括处理器810、存储器820及显示器830。图8仅示出了多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器820在一些实施例中可以是多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的内部存储单元，例如多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的硬盘或内存。存储器820在另一些实施例中也可以是多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的外部存储设备，例如多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。进一步地，存储器820还可以既包括多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器820用于存储安装于多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的应用软件及各类数据，例如安装多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的程序代码等。存储器820还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器820上存储有多物理场耦合作用下的储氢反应器设计程序840，该多物理场耦合作用下的储氢反应器设计程序840可被处理器810所执行，从而实现本申请各实施例的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法。
处理器810在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器820中存储的程序代码或处理数据，例如执行多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法等。
显示器830在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器830用于显示在多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的信息以及用于显示可视化的用户界面。多物理场耦合作用下的储氢反应器设计设备800的部件810-830通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器810执行存储器820中多物理场耦合作用下的储氢反应器设计程序840时实现如上的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法中的步骤。
本发明还提供一种反应器，该反应器用于如上述任一项所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法设计并制造。本发明的制备方法制成的金属氢化物储氢反应器，多孔结构能够允许高效换热，基TPMS换热器可以实现更高设计自由度和超越TPMS功能基元本身的热/力耦合性能，进而开发出在极高温高压下具有可靠突破性和变革性的服役性能。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
1、本发明采用TPMS三周期极小曲面多孔结构作为热交换器能够很好的克服传统储氢反应器不能快速散热的劣势，其表面非常光滑，且没有点阵多孔结构的尖锐转折或连接点，整体结构互相贯通。
2、本发明实现了在结构场、流场、温度场、固体力场等多个物理场下的耦合，模拟更真实的物理现象，更准确的预测实际物理系统的行为，且可以用过优化改善金属氢化物储氢反应器的性能，还可以促进不同领域、不同学科之间的结合与交叉应用。
3、本发明考虑了氢在进入金属材料后，局部氢浓度达到饱和时会引起金属塑性下降、诱发裂纹或产生滞后断裂的现象。对材料的断裂风险进行分析和评估，且针对氢脆问题进行优化设计，如增加材料的抗氢脆性能，改变工艺条件等。此外，明显提高了操作安全性和减少了人员伤害的风险，是有效预测氢脆现象的一种有效方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，包括：
根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型；
建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型；
根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征；
根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。
2.根据权利要求1所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，所述初始反应器模型包括反应器本体、多个极小曲面单元结构和两个延伸段，所述反应器本体内部中空并开设有反应物入口和反应物出口；多个所述极小曲面单元结构位于所述反应器本体内；所述延伸段为供流体流动的通道，两个所述延伸段分别连通于所述反应物入口和所述反应物出口，且均向背离所述反应器本体的方向延伸。
3.根据权利要求2所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，所述预设反应器参数包括极小曲面单元结构种类、反应器规格、反应器材料和延伸段长度；所述根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型，包括：
根据所述极小曲面单元结构种类，得到所述极小曲面单元结构种类对应的极小曲面水平集方程；
根据所述极小曲面单元结构种类对应的极小曲面水平集方程，建立多个所述极小曲面单元结构；
根据所述反应器规格、所述反应器材料和所述延伸段长度，建立所述反应器本体和所述延伸段；
根据所述反应器本体、多个所述极小曲面单元结构和所述延伸段，得到所述初始反应器模型。
4.根据权利要求3所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，所述建立多物理场耦合模型，包括：
根据预设流体定理，建立所述流场模型；
根据所述极小曲面单元结构种类、所述反应器规格和所述反应器材料，建立所述热场模型；
根据所述反应器材料，得到线弹性材料损伤参数；
根据所述极小曲面单元结构种类、所述反应器规格、所述反应器材料和所述线弹性材料损伤参数，建立所述力场模型；
根据所述流场模型、所述热场模型和所述力场模型，得到所述多物理场耦合模型。
5.根据权利要求1所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，所述预设模拟条件包括入口温度，所述反应性能特征包括吸氢体积分数、反应器温度、换热效率和吸放氢能力，所述应力分布特征包括所述初始反应器模型中各个位置的应力随反应时间的变化情况。
6.根据权利要求5所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，所述根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型，包括：
获取预设应力极限阈值；
根据所述应力分布特征，得到所述初始反应器模型中应力在不同位置处的大小变化情况以及应力在同一位置处、不同反应时间下的大小变化情况，基于所述预设应力极限阈值，得到所述应力损伤预测区域；
获取预设优化标准；
所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述预设优化标准，优化所述初始反应器模型，得到所述目标反应器模型。
7.根据权利要求6所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法，其特征在于，所述预设优化标准包括：
所述吸氢体积分数最大，同时所述应力损伤预测区域能达到的应力值最小。
8.一种多物理场耦合作用下的储氢反应器设计装置，其特征在于，包括：
初始模型建立模块，用于根据预设反应器参数，建立基于TPMS结构的初始反应器模型；
物理场模型建立模块，用于建立多物理场耦合模型，所述多物理场耦合模型包括流场模型、热场模型和力场模型；
仿真模拟模块，用于根据不同的预设模拟条件，基于所述多物理场耦合模型，对所述初始反应器模型进行仿真模拟，得到所述初始反应器模型在不同预设模拟条件下的反应性能特征及在不同预设模拟条件下的应力分布特征；
结构优化模块，用于根据所述应力分布特征的变化情况，得到应力损伤预测区域，并基于所述反应性能特征和所述应力分布特征的对应关系，基于所述应力损伤预测区域优化所述初始反应器模型，得到目标反应器模型。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中，
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述权利要求1至7中任一项所述多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法中的步骤。
10.一种反应器，其特征在于，应用于如权利要求1～7任一项所述的多物理场耦合作用下的储氢反应器设计方法设计并制造。
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