碳基储氢材料多孔结构中传输与吸附的模拟与优化

论文摘要

碳基储氢材料吸附储氢是近几年来出现的新型储氢方法。由于其具有安全可靠、储氢容器重量轻、形状选择余地大和储氢效率高等特点而成为当前储氢材料开发和研究的热点。碳基储氢材料吸附储氢是在中低温、中高压下利用高比表面积的碳基材料做为吸附剂的吸附储氢技术。本文主要运用计算流体动力学软件Fluent探索碳基储氢材料多孔结构中的传输与吸附机理,模拟传输与吸附过程,实现优化设计。文章首先研究在大温度大压力范围内的微孔体积填充吸附模型（Dubinin-Astakhov模型）,以加拿大三河城魁北克大学氢能研究所的实验数据为依据对模型进行拟合,得出碳基储氢材料在大温度大压力范围内的绝对吸附等温线和过剩吸附等温线。然后,从质量守恒、能量守恒和动量守恒的角度研究碳基储氢材料多孔结构中的流动与传热模型,得出在模拟充气吸附过程中的质量源项、能量源项和动量源项。以动量守恒为基础,模拟碳基储氢材料多孔结构中的流动,研究粘性阻力和惯性阻力对流体流经多孔介质的影响。在前面几章的基础上运用Fluent软件对活性炭填充储氢罐的充气过程进行模拟,求解密度、温度、压力以及吸附量的动态分布,并与相关的实验结果进行对比验证。结果表明模拟结果与实验结果吻合,在模型的温度分布中,中心区域的温度较高,周边区域的温度较低。除了入口处,模型其余位置的温度均是先增大后降低,导致中心区域的氢气吸附量较少,周边区域氢气的吸附量较多。计算结果还表明在储氢体积相差三倍的情况下,吸附和压缩所储存的氢气的重量只相差约1.5g,表明吸附储氢具有很大的优势。最后,分别从充气质量流率、传热条件及散热方式、储氢罐模型尺寸等参数研究其对充气过程的影响,结果表明充气过程较平缓有利于减小储氢罐中最高温度的产生,影响整个模型温度的关键是吸附床的导热系数,使用较小或较大半径与长度比的储氢罐有利于热量的散出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 化石能源短缺与环境要求
• 1.1.2 氢能源的优点
• 1.1.3 氢能与汽车工业
• 1.1.4 氢能工业对储氢的要求
• 1.1.5 目前的储氢技术
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 活性炭
• 1.2.2 碳纳米管
• 1.2.3 金属有机结构材料
• 1.3 本文工作
• 1.3.1 碳基储氢材料的吸附等温线模型
• 1.3.2 碳基储氢材料多孔结构中流动与传热模型
• 1.3.3 碳基储氢材料多孔结构中流动模拟
• 1.3.4 活性炭填充储氢罐的充气过程模拟
• 1.3.5 活性炭填充储氢罐的充气过程的参数研究与优化
• 第2章 碳基储氢材料的吸附等温线模型
• 2.1 Dubinin-Astakhov模型
• 2.2 实验数据
• 2.3 绝对吸附等温线
• 2.4 过剩吸附等温线
• 2.5 本章小结
• 第3章 碳基储氢材料多孔结构中流动与传热模型
• 3.1 质量守恒方程及其质量源项
• 3.2 动量守恒方程
• 3.2.1 达西定律
• 3.2.2 尔格方程
• 3.2.3 动量守恒方程
• 3.3 能量守恒方程及其能量源项
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳基储氢材料多孔结构中流动模拟
• 4.1 基于尔格方程的流动阻力与压降计算
• 4.2 基于多孔介质模型的流动模拟
• 4.2.1 模型与边界条件
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 多孔结构中流动的直接数值模拟
• 4.3.1 模型与边界条件
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 活性炭填充储氢罐的充气过程模拟
• 5.1 几何模型与物性参数
• 5.1.1 几何模型
• 5.1.2 物性参数
• 5.2 边界条件与阻力系数
• 5.2.1 边界条件
• 5.2.2 阻力系数
• 5.3 吸附源项及其Fluent UDF设计
• 5.3.1 Fluent UDF简介
• 5.3.2 吸附源项UDF设计
• 5.4 模拟结果及其实验结果的比较
• 5.4.1 温度对比分析
• 5.4.2 压力对比分析
• 5.4.3 吸附量与吸附源项分析
• 5.4.4 进气总量与吸附量分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 活性炭填充储氢罐的充气过程的参数优化
• 6.1 充气质量流率对充气过程的影响
• 6.1.1 模型及边界条件
• 6.1.2 结果及分析
• 6.2 传热条件及散热方式对充气过程的影响
• 6.2.1 计算方案
• 6.2.2 结果及分析
• 6.3 储氢罐模型尺寸对充气过程的影响
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 附录 Fluent UDF程序清单
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目