車載儲氫氣瓶氣密性試驗參數優化研究*

張 耕，郭 晉，譚 粵，李 蔚，林浩俊，夏 莉，胡 昆，周池樓

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641；2.廣東省特種設備檢測研究院，廣州 510630；3.浙江大學工程師學院，杭州 310029）

0 引言

根據標準ANSI∕CSA NGV2—1992《車用壓縮天然氣氣瓶》[1]，車載氣瓶共分4 個類型：I 型（全金屬氣瓶）、II 型（金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶）III 型（金屬內膽纖維全纏繞氣瓶）及IV 型（非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶）。由于I型和II型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質量儲氫密度的要求，用于車載儲氫并不理想[2]，而IV 型氣瓶在高壓下，氣體易從非金屬內膽向外滲透且金屬閥座與非金屬結構的連接強度難以保證[3]。因此，國內主流的車載儲氫氣瓶為III型氣瓶[4]。

車載纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶作為氫氣的重要載體[5-6]，其設計、制造和使用必須按照相應的安全技術規范和技術標準要求進行型式試驗[7]。其中，氣密性試驗是檢驗氣瓶泄漏情況的重要環節[8]。目前，國內外均頒布了氣瓶及瓶閥氣密性檢驗相關標準。GB∕T 35544—2017《車載壓縮氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》[9]、GB∕T 12137—2015《氣瓶氣密性試驗方法》[10]、ISO 10297:2014《可運輸氣瓶-氣瓶閥規范和型式試驗》[11]和ISO 22435:2007《氣瓶-與壓力調節器體化瓶閥技術要求和型式試驗》[12]都對氣密性試驗關鍵參數（增壓速率、保壓時間、充裝溫度和試驗介質）提出了不同程度的要求。然而，增壓速率作為影響試驗結果的重要參數，標準中并未提出定量的要求。雖然標準中給出了建議的保壓時間以及對氣密性試驗劃定了充裝溫度的范圍，但這些試驗參數的選取缺乏理論依據和數據支撐。此外，標準中建議采用氮、氦或這些惰性氣體的混合物作為試驗介質，但混合比例對氣密性試驗結果的影響有待進一步探究。

為此，本文通過建立車載儲氫氣瓶氣密性試驗過程數值仿真模型，分析氣密性試驗過程氣瓶的流場分布特性，結合氣密性試驗穩定性表征參量（壓差百分比和壓降時間），研究不同增壓速率、保壓時間、充裝溫度和試驗介質對氣瓶氣密性試驗結果的影響，獲得關鍵試驗參數優化值，為車載儲氫氣瓶氣密性試驗方法的應用提供理論依據，具有重要的工程應用價值。

1 數值仿真

1.1 模型建立

1.1.1 控制方程

（1）連續性方程

式中：ρ為氣體密度；t為時間；u為軸向速度；v為徑向速度；x和r分別為軸向和徑向坐標。

（2）動量方程

式中：μ為氣體黏度；p為氣體壓力。

1.1.2 湍流模型

本文采用標準κ-ε湍流模型[13-15]，湍流動能κ和湍流耗散率ε的方程描述如下：

式中：t為時間；ρ為密度；x為軸向坐標；u為軸向速度分量；μ為分子黏度；r為徑向坐標；μt為湍流黏度；σκ和σε分別為k和ε對應的普朗特常數；Gκ為由于平均速度梯度而產生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的作用；C1ε和C2ε均為常數。

1.1.3 真實氣體狀態方程

本文采用Modified-Benedict-Webb-Rubin（MBWR）真實氣體方程[16-17]，如式（5）所示。

式中：d為密度；dcrit為臨界密度；n為可調整參數；αn為1組由32個可調整參數構成的溫度函數。

1.2 模型參數設置

1.2.1 材料參數

模型計算區域包括氣瓶固體域和氣瓶內部氣體域。氣瓶固體域包括碳纖維∕環氧樹脂復合材料層和鋁合金內膽層，氣瓶內部氣體域為試驗介質，從Fluent 的NIST 材料庫[18]中調用，其物理性質由真實氣體狀態方程控制。氣瓶材料的熱物性參數如表5所示。

表1 氣瓶材料的物理性質[19-20]

1.2.2 幾何模型及網格劃分

本文的儲氫氣瓶為容積140 L 的III 型氣瓶，瓶身長度為1 400 mm，鋁內膽公稱外直徑為348 mm，采用Spaceclaim 建立氣瓶的2D 軸對稱幾何模型，并在完成儲氫氣瓶2D軸對稱幾何模型的建立后對幾何模型進行預處理。采用ANSYS Meshing 對經過預處理后的幾何模型進行網格劃分，氣瓶固體區域（碳纖維∕環氧樹脂復合材料層及鋁合金內膽層）和氣體入口區域采用結構化網格劃分，氣體主體區域（除入口區域外）采用非結構化網格劃分。由于氣體入口處的流體湍流問題較復雜，對氣體入口區域采用局部加密處理。網格劃分結果如圖1所示，共劃分為9 365個節點和3 820個單元。

圖1 網格劃分

1.2.3 邊界條件及數值算法

氣瓶氣密性試驗過程包括線性升壓和保壓階段。在線性升壓階段，采用Fluent UDF 文件設置氣瓶入口壓力隨時間變化的邊界條件，在保壓階段，將入口邊界條件設置為壁面。根據試驗參數設置入口溫度以及試驗介質中氦氣和氮氣的混合比例，氣瓶內膽和內部氣體界面采用流固耦合邊界，氣瓶外壁面對流傳熱系數為5 W∕（m·K），來流溫度為15 ℃。環境初始溫度為15 ℃，氣瓶內部初始壓力為0.1 MPa。設置求解算法為SIMPLE 算法，壓力采用2階迎風格式，動量、湍流動能及湍流耗散率采用1階迎風格式，瞬時方程采用1階隱式。

1.3 流場分布特性

設定增壓速率為0.8 MPa∕min，保壓時間為20 min，充裝溫度為15 ℃，采用100%氮氣作為試驗介質。模擬得到氣瓶氣密性試驗過程的速度場、溫度場及壓力場分布特性，具體如下。

1.3.1 速度場

圖2所示為氣瓶氣密性模擬過程的速度場分布云圖。由圖可知，在充氣升壓階段（40 min之前），隨著升壓時間的增加，入口氣體速度逐漸減小，這是因為隨著氣體被持續充入氣瓶，瓶閥入口的氣體不斷壓縮氣瓶內部氣體做功，入口氣體的動能轉化為瓶內氣體的內能從而導致速度減小。在升壓階段初期（10 min），高速氣體沿著氣瓶軸向射入瓶內，在氣瓶尾部向上下兩側回流，由于氣瓶上下兩側回流的氣體與氣瓶軸線方向上射入的氣體速度差較大，當回流氣體經過氣瓶中部時產生渦流，并進一步增大該區域氣體射入的速度，因此在氣瓶中部形成速度較大的區域。隨著升壓時間的增加和氣體射入速度的減小，氣瓶上下兩側氣體回流與氣瓶軸線方向上氣體射入的速度差較小，沒有形成渦流，氣瓶內部除入口區域外速度分布均勻。在保壓階段（40 min之后），由于此時入口瓶閥已關閉，氣瓶入口氣體的速度迅速減小，氣瓶內部的氣體整體速度很小，但仍有一定的動能，且此時氣瓶上下兩側回流的氣體與氣瓶軸線方向上射入的氣體存在一定速度差，因此又在氣瓶中部產生渦流并形成速度相對較大的區域。隨著保壓時間的增加，由于沒有新氣體的補充，氣瓶內部氣體的動能逐漸轉化為熱能。

圖2 速度場分布云圖

1.3.2 溫度場

圖3所示為氣瓶氣密性模擬過程的溫度場分布云圖。由圖可知，在充氣升壓階段，隨著升壓時間的增加，氣瓶內部的氣體溫度逐漸上升，結合上述對速度場分布特性的分析，這是因為入口氣體的動能轉化為瓶內氣體的內能從而導致溫度上升，從氣體域溫度分布云圖中也可看出瓶閥入口的氣體隨著軸向距離的增加溫度逐漸上升，氣瓶尾部的溫度整體高于氣瓶前端。由于氣瓶復合材料層導熱系數比鋁合金內膽層導熱系數小得多，在升壓階段初期（10 min）氣瓶內部氣體的熱量很快傳遞到鋁合金內膽層，而難以向復合材料層傳遞，因此固體域存在明顯的溫度分層，到升壓階段后期（40 min），隨著瓶內氣體溫度的逐漸上升，熱量也逐漸向復合材料層傳遞。進入保壓階段后，隨著保壓時間的增加，氣瓶內部的氣體溫度逐漸下降，這是因為此時入口瓶閥已關閉，沒有新的氣體充入氣瓶內部，氣瓶內部氣體的熱量逐漸通過瓶閥、鋁合金內膽層和復合材料層向氣瓶外部傳遞。由于保壓前氣瓶前端溫度整體低于氣瓶尾部，根據熱力學第二定律，氣體的熱量由氣瓶尾部向氣瓶前端傳遞，再通過前端的瓶閥和鋁合金內膽層向氣瓶外部傳遞，因此在保壓階段氣瓶前端的溫度明顯低于氣瓶尾部。

圖3 溫度場分布云圖

1.3.3 壓力場

圖4所示為氣瓶氣密性模擬過程的壓力場分布云圖。由圖可知，在充氣升壓階段，隨著升壓時間的增加，氣瓶內部的氣體壓力逐漸上升。在升壓階段初期（10 min），氣瓶內部的壓力呈不均勻分布，氣瓶前端和尾部的壓力稍高于氣瓶中部的壓力，結合上述對氣瓶內部速度場分布特性的分析可知，此時氣瓶中部由于形成渦流也出現了速度較大的區域。當升壓時間大于10 min 時，氣瓶內部壓力整體呈均勻分布。進入保壓階段后，在保壓階段初期氣瓶內部壓力會有所下降，而當保壓時間大于10 min時，氣瓶內部壓力基本穩定，不發生變化。

圖4 壓力場分布云圖

2 影響因素分析

2.1 表征參量

2.1.1 壓差百分比

為實現氣瓶氣密性試驗穩定性的量化表征，引入“壓差百分比”作為氣密性參量，其計算公式[21-22]如式（6）所示。

式中：pd為壓差百分比，Pa；pf為最終壓力，Pa；pN為氣瓶的公稱壓力，Pa。由公式可知，壓差百分比越小，說明氣瓶氣密性越好。

2.1.2 壓降時間

由初步模擬結果發現，氣瓶內部壓力在保壓階段初期會經歷一段時間的降低，而后處于恒定值。為更全面準確地表征氣瓶試驗過程的壓力變化，引入“壓降時間”表征氣瓶壓力達到穩定所需要的時間，其計算公式如式（7）所示。

式中：td為壓降時間，s；t1為氣瓶進入保壓階段的時間，s；t2為保壓階段氣瓶壓力達到恒定值的初始時間，s。由公式可知，壓降時間越小，說明保壓階段內氣瓶壓力更快達到穩定。

2.2 增壓速率

為研究增壓速率對車載儲氫氣瓶氣密性試驗的影響，采用100%氮氣作為試驗介質，設定保壓時間為20 min，充裝溫度為15 ℃，分別在0.5、0.8、1、3、5、10 MPa∕min的增壓速率下進行模擬。通過提取不同增壓速率下氣瓶的保壓壓力和最終壓力并進行對比，進一步定量分析試驗過程增壓速率對氣密性試驗結果的影響。由圖5可知，隨著增壓速率的增大，氣瓶保壓壓力和最終壓力整體呈現逐漸下降趨勢，且當增壓速率大于3 MPa∕min 時，氣瓶保壓壓力和最終壓力的下降尤為明顯。圖6 所示為不同增壓速率下氣瓶的壓降時間及壓差百分比。由圖可知，隨著增壓速率的增大，氣瓶的壓差百分比整體沒有呈現線性變化的趨勢，而氣瓶的壓降時間整體呈現出逐漸增加的趨勢，且當增壓速率大于3 MPa∕min 時，氣瓶壓降時間的增加尤為明顯，即保壓階段氣瓶內部壓力達到穩定所需的時間越長，而這會影響試驗人員對氣密性試驗結果的判斷。因此，建議氣瓶氣密性試驗過程的增壓速率不宜超過3 MPa∕min。

圖5 不同增壓速率下氣瓶保壓壓力及最終壓力

圖6 不同增壓速率下氣瓶壓降時間及壓差百分比

2.3 保壓時間

采用100%氮氣為試驗介質，以充裝溫度為15 ℃，增壓速率為1 MPa∕min 的模擬工況為例，分析不同保壓時間（0、30、60、90、300、1 100 s）對車載儲氫氣瓶氣密性試驗的影響。由圖7可知，隨著保壓時間的增加，氣瓶最終壓力逐漸下降直到保壓時間達到90 s 后開始保持恒定。圖8 所示為不同保壓時間下氣瓶的壓降時間及壓差百分比。由圖可知，隨著保壓時間的增加，氣瓶的壓差百分比和壓降時間呈現先增加后穩定的趨勢，當保壓時間大于90 s 時，氣瓶壓差百分比和壓降時間隨著保壓時間的增加不再發生變化。顯然，在氣瓶壓力保持穩定的階段讀取氣密性試驗結果要更為準確、可靠，因此，建議氣瓶氣密性試驗過程的保壓時間大于90 s。

圖7 不同保壓時間下氣瓶保壓壓力及最終壓力

圖8 不同保壓時間下氣瓶壓降時間及壓差百分比

2.4 充裝溫度

采用100%氮氣作為試驗介質，設定保壓時間為20 min，增壓速率為1 MPa∕min，分別在-20、0、1、30、65、85 ℃的充裝溫度下進行模擬。如圖9 所示，隨著試驗過程充裝溫度的上升，氣瓶的保壓壓力基本沒有變化，而氣瓶的最終壓力隨之下降，當充裝溫度大于15 ℃時，氣瓶保壓壓力與最終壓力的差值大于0.1 MPa。圖10 所示為不同保壓時間下氣瓶的壓降時間及壓差百分比。由圖可知，隨著充裝溫度的上升，氣瓶的壓降時間和壓差百分比呈現近似線性增大的趨勢，說明充裝溫度越低，氣瓶氣密性試驗結果越準確。然而，在低溫下進行氣瓶氣密性試驗需配備相應的冷卻系統，這需要更多的成本和能耗。因此，在成本充足的情況下，可以采用較低的充裝溫度，而從經濟性和節能的角度出發，建議氣瓶氣密性試驗過程的充裝溫度為15 ℃。

圖9 不同充裝溫度下氣瓶保壓壓力及最終壓力

圖10 不同充裝溫度下氣瓶壓降時間及壓差百分比

2.5 試驗介質

采用氮氣、氦氣以及兩者按不同比例混合（氮氣百分比分別為100%、80%、60%、40%、20%、0）的氣體作為試驗介質進行數值仿真，設定保壓時間為20 min，增壓速率為1 MPa∕min。如圖11 所示，隨著試驗介質中氦氣混合比例的增大，氣瓶的保壓壓力沒有明顯變化，但氣瓶的最終壓力呈現先上升后下降的趨勢，且保壓壓力與最終壓力的差值均在0.1 MPa 以內。圖12 所示為不同試驗介質下氣瓶的壓降時間及壓差百分比。由圖可知，隨著試驗介質中氦氣混合比例的增大，氣瓶的壓降時間和壓差百分比均呈現先減小后增大的趨勢，說明當試驗介質氮氣和氦氣的比例相近時，氣瓶的壓降時間和壓差百分比最小，此時氣瓶氣密性試驗結果最為準確。綜上所述，由于氮氣和氦氣均具備顯著的化學穩定性，在其他試驗參數選取合適的前提下，均能獲得準確的氣密性試驗結果。然而，氦氣的成本相對較高，在成本充足的情況下，可以采用氦-氮比例為1∶1 的混合氣體作為試驗介質，而在考慮經濟性的情況下，氮氣也能滿足氣密性試驗的要求。

圖11 不同試驗介質下氣瓶保壓壓力及最終壓力

圖12 不同試驗介質下氣瓶壓降時間及壓差百分比

3 結束語

本文通過建立車載儲氫氣瓶氣密性試驗過程數值仿真模型，分析氣瓶氣密性試驗過程的流場分布特性，結合氣密性試驗表征參量，研究關鍵試驗參數對氣瓶氣密性試驗結果的影響，得到以下結論：

（1）隨著增壓速率的增大，氣瓶的壓降時間整體呈現出逐漸增加的趨勢，且當增壓速率大于3 MPa∕min 時增加幅度尤為明顯，這會影響試驗人員對氣密性試驗結果的判斷，建議氣瓶氣密性試驗的增壓速率不宜超過3 MPa∕min；

（2）隨著保壓時間的增加，氣瓶的壓差百分比和壓降時間呈現先增加，并在保壓時間大于90 s 時不再發生變化。為了能讀取更為準確可靠的試驗結果，建議氣瓶氣密性試驗的保壓時間大于90 s；

（3）充裝溫度越低，氣瓶氣密性試驗結果越準確。在成本充足的情況下，可以采用較低的充裝溫度，而從經濟性和節能的角度出發，建議氣瓶氣密性試驗的充裝溫度為15 ℃；

（4）當試驗介質氮氣和氦氣的比例相近時，氣瓶的壓降時間和壓差百分比最?。辉诔杀境渥愕那闆r下，建議采用氦-氮比例為1∶1的混合氣體作為試驗介質，而在考慮經濟性的情況下，氮氣也能滿足氣密性試驗的要求。