V型氢储罐加注过程中的双向流固耦合及热固耦合现象

时间：2026年2月8日

来源：Journal of Energy Storage

编辑推荐：

本研究针对Type V碳纤维增强聚合物（CFRP）氢能储罐在快速加氢场景下的多物理场耦合问题，建立两向流体-结构相互作用（FSI）与热-结构相互作用（TSI）模型，整合真实气体热力学、各向异性导热及瞬态流体动力学分析。结果表明，初始压力3MPa时储罐中温达365.79K，轴向导热导致中段热点，两向耦合分析预测总变形12.54mm及最大主应力2066.66MPa，揭示了温度梯度与结构变形的耦合效应及涡流对热应力分布的影响，为优化储罐设计及安全策略提供理论支撑。

C. Ajeesh | M. Abdul Akbar | Anil Kumar Dash | K. Nivetha

印度喀拉拉邦卡利卡特国家技术学院土木工程系，673601

摘要

随着交通运输和能源领域对高压氢储存系统需求的增长，对其热机械行为的高保真建模变得至关重要。然而，由于气体动态的瞬变性、实际气体的影响、复合材料中的热传导以及加注过程中内部流动与结构变形之间的双向相互作用，这一任务仍然具有挑战性。本研究对不同加注情景下的V型碳纤维增强聚合物（CFRP）氢储罐进行了多物理场仿真。通过双向流固耦合（FSI）和热固耦合（TSI）技术，捕捉了非稳态可压缩氢气流入与V型CFRP储罐热机械响应之间的相互作用。该模型考虑了CFRP的正交各向异性热传导特性，并采用了Peng-Robinson实际气体模型。SST k-ω湍流模型用于解析影响波传播、温度梯度和应力分布的流动特性。在3 MPa的初始压力下，储罐在180秒内的平均温度最高达到了365.79 K，而6 MPa和9 MPa情况下的温度则较低。较高的压力比会导致气体压缩功增加，从而提高其内能和温度。双向FSI预测圆柱区域的总体变形为12.54毫米，最大主应力为2066.66 MPa。流动状态从动能主导转变为压力主导，湍流动能（TKE）在100–300毫米范围内达到峰值，这是由压缩动能向内能转化所驱动的。正交各向异性导热性导致轴向热扩散和径向热积聚，从而在储罐中部形成热点。这些结果为优化复合材料层叠结构和加注策略提供了设计和安全方面的见解，以确保氢储存系统的安全与高效。

引言

根据国际能源署（IEA）的数据，2023年全球氢产量达到了9700万吨。低排放氢气仅占总产量的不到1%。预计到2030年，低排放氢气将占全球总产量的34–50%[1]。为实现全球净零目标，氢气需要在2050年前满足约15%的全球能源需求。氢燃料正逐渐成为全球向脱碳和清洁能源系统过渡的关键支柱。高压氢储存罐是氢动力基础设施和车辆的重要组成部分（图1）。最先进的V型氢储存压力容器采用无内衬的全复合材料结构，具有优异的重量效率和高压耐受性。与采用聚合物内衬的IV型容器不同，V型容器完全依赖碳纤维等复合材料，从而实现了减重、提高能量密度和更好的抗疲劳性能。然而，缺乏聚合物或金属内衬（如IV型或III型氢储存压力容器所使用的）对V型容器带来了显著挑战。在快速加注过程中，由于氢气快速流入、压力急剧上升和温度骤升，容器容易发生故障。使用实际气体模型进行氢加注的复杂性要求对复杂的热力学和力学行为进行深入研究。这些环境需要通过耦合流体动力学、热传导和结构力学来进行瞬态多物理场仿真，以确保储罐的安全性、可靠性和性能。

利用实验和计算流体动力学（CFD）研究了氢气快速加注过程中的温度变化[2]。特别是在入口附近，绝热压缩会导致温度超过100°C，流速超过200 m/s，从而引发局部应力风险。另有研究评估了加注参数对IV型氢储罐储存密度的影响[3]。研究表明，加注时间和供应温度显著影响储罐性能，这一点在CFD和回归建模中得到了明确体现。尽管多角度缠绕在仿真中有效改善了应力比，但该研究未考虑实际场景下的热效应或破裂测试。利用微观失效力学（MMF）和时温叠加原理（TTSP）开发了一种CFRP氢储罐的疲劳寿命预测方法[4]。在循环热力和机械载荷下，该模型准确估计了疲劳寿命。通过单向耦合CFD和FEA方法研究了IV型复合外包压力容器（COPV）在加注过程中的热机械行为[5]。该研究考虑了材料各向异性和复合材料层叠效应，提供了应力分布的见解。然而，单向耦合限制了热域或流体域对变形响应的传递，这对于无内衬容器来说是一种简化。这种方法不适用于无内衬容器，因为它们的结构柔韧性和膨胀性会显著影响气体动力学和热传导。针对海上氢储存容器的疲劳寿命研究重点关注加注或排放过程中的容器损伤。此外，还采用了无损检测、数字孪生技术和智能传感技术来检测损伤模式和性能下降[6]。对无内衬的V型复合氢储罐进行的跌落模拟测试显示，其最大应力与有内衬的高压氢储罐相当。内衬的作用是防止泄漏和腐蚀，不承受应力载荷[7]。为了提高CcH2储罐的安全性和加注效率，对低温压缩氢的研究深入探讨了加注过程中可能发生的温度分层现象[8]。这些研究为使用CFD建模温度效应奠定了基础，但忽略了同时发生的机械响应，这对V型容器尤其成问题，因为其结构本身既要密封又要承受载荷。观察发现，较短的加注时间会导致更高的峰值温度，进而放大热应力，对结构完整性和储存效率构成风险。此外，圆柱壁上的温度梯度不均匀，这种状况在缺乏金属内衬的V型容器中更为明显。

[9]研究了氢扩散滞后及其在产生压力差中的作用。在加注过程中，这种扩散效应在V型容器中更为显著，微观孔隙可能导致瞬态内部压力不匹配。反复循环和压力波动会导致聚合物材料中的氢渗透，可能引发微裂纹和基体降解。由于缺乏气体屏障，这种效应在V型容器中更为明显[10]。通过不同的纤维缠绕角度分析了IV型复合压力容器中的环向应力[11]。为了解决结构制造问题，[12]提出了使用自动纤维放置（AFP）替代传统丝材缠绕的方法。在复杂几何形状中，AFP能够优化应力路径对齐，并通过可变轴向张力（VAT）和拖曳导向实现选择性增强。然而，V型复合压力容器中纤维取向、渗透性和层间失效机制之间的相互作用仍需进一步研究。[13]对比了S玻璃纤维、碳纤维T700和凯夫拉尔复合材料，发现高压载荷下凯夫拉尔材料的抗变形性能优于S玻璃纤维和碳纤维T700。暴露于喷射火焰中的CFRP储罐的热机械耦合失效机制表明，环氧树脂软化显著降低了纤维-基体界面强度。此外，基体向纤维的载荷传递效率受到层取向的影响[14]。根据SAEJ2601标准，[15]研究了氢储罐在动态加注过程中的结构和热响应。为了更好地理解快速加注过程中的复合材料行为，需要进行层间应力分析[16]。进一步的结构研究表明，快速加注过程中的堵塞和凸起故障不仅受温度和压力的影响，还受它们之间的耦合作用影响，特别是在85 MPa和85°C附近。[17][18]报告指出，需要采用多尺度建模框架来确保V型CFRP储罐在快速加注情景下的安全性和性能。未来的工作需要开发能够考虑AFP制造复合材料制造过程中变异性的稳健多尺度模型。加注时间和入口几何形状对最大壁温和应力分布有重要影响。

以往对高压氢储罐的研究主要依赖于非耦合的热模拟或单向/半耦合分析，这些方法无法捕捉瞬态氢流动、温度梯度和结构变形之间的反馈。然而，无内衬的全复合材料V型氢储罐需要强烈的双向热机械相互作用，这无法通过传统建模方法解决。

为填补这一空白，本研究建立了一个全面的V型CFRP氢储罐在快速加注条件下的双向FSI和TSI框架。该模型结合了使用Peng-Robinson状态方程的可压缩实际气体氢、CFRP的正交各向异性热传导以及SST k-ω湍流模型，以捕捉波传播、温度分层和应力局部化。主要研究结果包括：（i）引入了高保真多物理场求解器，能够完全捕捉无内衬容器中的热流和结构行为；（ii）量化了不同初始压力下的瞬态热响应和应力分布，并识别出指导更安全操作规程的涡流形成。通过与快速加注实验的热力学数据比较并验证了模型的可靠性。