碳基儲氫材料多孔結構中傳輸與吸附的多尺度模擬.pdf

1、碳基材料吸附儲氫因其安全可靠和高效成為當前儲氫研究的熱點。碳基儲氫材料多孔結構中傳輸和吸附是吸附儲氫研究的重點。本文以儲氫罐系統(tǒng)為研究對象，設計了多尺度模擬軟件集成平臺，實現(xiàn)了系統(tǒng)和宏觀兩個尺度吸附儲氫模型的關聯(lián)，從兩種尺度模擬了儲氫罐系統(tǒng)的充氣、休眠、放氣和休眠等過程，研究氫氣在活性炭多孔介質區(qū)域的傳輸和吸附過程。
　　 首先，本文對常見的吸附等溫線模型Herry定律、Virial方程、Lanmuir方程和D-A方程進行了比較

2、，分析了其應用的范圍，確立了D-A吸附等溫線模型作為本文模擬計算的基礎；根據(jù)多孔介質中傳輸和吸附的特點，給出了多孔介質中質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程中對應的質量源項、能量源項和動量源項；在此基礎上，根據(jù)D-A方程為吸附模型和氣體狀態(tài)方程等熱力學模型，建立了儲氫罐系統(tǒng)的系統(tǒng)模型和宏觀模型。
　　 其次，在Comsol with Matlab下，本文實現(xiàn)了Simulink、Fluent、Comsol和Origin四種軟件

3、的集成，建立了多尺度模擬軟件集成平臺，完成模擬工作的前處理，求解和后處理。通過分析Matlab GUIDE生成的M文件、Fluent journal文件、Comsol M文件和Origin對象調用的結構和特點，分別實現(xiàn)了多尺度模擬軟件集成平臺與Simulink、Fluent、Comsol和Origin之間的調用和數(shù)據(jù)交互的接口，從而實現(xiàn)了四種軟件的有效集成。
　　 第三，本文利用Winsock網(wǎng)絡通信機制，分別在Fluent的U

4、DF和SimulinkC文件S函數(shù)中編寫客戶端程序和服務端程序，實現(xiàn)了Fluent和Simulink的協(xié)同仿真；以Simulink M文件S函數(shù)為載體，將Comsol求解模型嵌入在S函數(shù)中，實現(xiàn)了Comsol和Simulink的協(xié)同仿真；并給出了儲氫罐吸附儲氫Simulink與Fluent、Simulink與Comsol模擬中的關聯(lián)及其實現(xiàn)過程。
　　 然后，以本文所建立的多尺度模擬軟件集成平臺為工具，分別調用Simulink、

5、Comsol和Fluent軟件對填充活性炭的儲氫罐進行了充氣、休眠、放氣和休眠等階段的模擬，求解罐內的溫度、壓力、絕對吸附密度和吸附質量等，并把三種模擬結果進行對比，與實驗結果進行驗證。結果表明：Simulink、Fluent、Comsol模擬結果和實驗結果能較好的吻合，本文所建立的系統(tǒng)模型和宏觀模型都可以較好地描述儲氫罐的充氣和放氣過程；系統(tǒng)模型和宏觀模型的模擬均能顯示氫氣的質量平衡，39％微孔孔隙所儲存的吸附相氫氣的質量大于49％的

6、活性炭床孔隙所儲存的氣相氫氣質量(兩者之差約2.5g)，表明了吸附儲氫的潛在優(yōu)勢。
　　 最后，分別從儲氫罐模型尺寸、充氣質量流率、放氣質量流率和有效熱導率等參數(shù)出發(fā)，研究其在充氣和放氣過程中的影響，結果表明：在相同的容積下，提高儲氫罐的表面積、增加有效熱導率可降低儲氫罐的溫度，有利于提高儲氫罐的吸附量；在儲氫罐的壓力和溫度允許范圍內，在充氣質量一定的情況下，充氣質量流率越大，充氣時間越短，會導致儲氫罐的壓力和溫度峰值的增大，但