碳基储氢材料多孔结构中传输与吸附的模拟与优化

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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2文献综述

1.3本文工作

第2章碳基储氢材料的吸附等温线模型

2.1Dubinin-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

3.3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

4.3多孔结构中流动的直接数值模拟

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

5.2边界条件与阻力系数

5.3吸附源项及其Fluent UDF设计

5.4模拟结果及其实验结果的比较

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

6.2传热条件及散热方式对充气过程的影响

6.3储氢罐模型尺寸对充气过程的影响

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