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基于ANSYS的储氢气瓶快充温升流热固耦合模拟研究

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真空 2024年第3期61卷 26-32页

作者：杨刚欧晨希陈新辉黄思广东省特种设备检测研究院广东佛山528000 华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510641

以某款车用碳纤维全缠绕储氢气瓶为研究对象,基于ANSYS Workbench平台,充分考虑气瓶不同结构层的差异性和温度载荷分布不均匀性,进行了流热固耦合模拟计算分析。首先对气瓶快速充装过程内部气体流场进行三维数值模拟研究其温升规律,然... 详细信息

以某款车用碳纤维全缠绕储氢气瓶为研究对象,基于ANSYS Workbench平台,充分考虑气瓶不同结构层的差异性和温度载荷分布不均匀性,进行了流热固耦合模拟计算分析。首先对气瓶快速充装过程内部气体流场进行三维数值模拟研究其温升规律,然后将流场计算结果加载到气瓶结构层进行稳态热分析,最后将流场及热分析结果均加载到气瓶结构层进行结构静力学分析。结果表明:当充装结束时,气瓶最高温度及碳纤维复合层受到的最大应力均出现在瓶尾封头和筒体的连接处;相较于内压引起的机械应力,温度载荷引起的热应力很小;机械应力与耦合应力数值相差不大,碳纤维复合层的机械应力略小于耦合应力,而铝合金内胆层由于膨胀系数大,温度载荷引起的压缩热应力抵消了一部分机械应力,使得耦合应力小于机械应力。

关键词：碳纤维全缠绕储氢气瓶快充温升流热固耦合

Ⅲ型储氢气瓶充压温升规律研究及结构力学性能分析

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Ⅲ型储氢气瓶充压温升规律研究及结构力学性能分析

作者：欧晨希华南理工大学

学位级别：硕士

35MPa金属内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶(Ⅲ型)是我国燃料电池商用车的车载储氢容器,由于碳纤维缠绕层对温度和压力具有较高的敏感性,快速的升温升压会导致缠绕层脱粘、纤维断裂等问题,当前加氢站的充气加压程序还不够科学完善,势必会导致... 详细信息

35MPa金属内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶(Ⅲ型)是我国燃料电池商用车的车载储氢容器,由于碳纤维缠绕层对温度和压力具有较高的敏感性,快速的升温升压会导致缠绕层脱粘、纤维断裂等问题,当前加氢站的充气加压程序还不够科学完善,势必会导致气瓶在日后不断的充装过程中产生新的缺陷。因此本文对碳纤维Ⅲ型储氢气瓶充气过程的升温、升压机理展开研究,采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方式,深入分析充气过程热量堆积产生的温度分布规律和瓶体受力,并运用声发射检测手段进行实时监控瓶体损伤,为今后加氢站及检验检测单位对充装工艺的优化提供试验依据,主要研究内容如下:(1)在气瓶充压温升理论分析基础上,建立气瓶快充数学模型,通过Fluent流体分析软件对气瓶进行模拟计算和后处理,探究影响气瓶充压温升的因素。结果表明,充装初始压力和氢气充装方式的不同对温升影响最大,预冷温度次之,而环境温度与气瓶容积的影响则较小,但气瓶长径比的不同会影响气瓶快充温度及流场的分布,气瓶快充结束温度越低,充装率越大。(2)基于声发射检测技术对气瓶材料进行力学性能测试,得到试样的应力应变曲线,当声发射信号门槛值设置低于40d B时,只采集到碳纤维复合材料发出的信号,可用于排除铝合金内胆产生的缺陷。对气瓶进行水压试验,采集气瓶升压和保压过程中的声发射信号并进行损伤定位,发现气瓶筒体与尾部封头的连接区域是薄弱位置,容易发生损伤。(3)通过ANSYS Workbench有限元软件实现流-热-固耦合计算,获得充装完成时刻瓶体结构的耦合应力,相比于升压引起的机械应力,热应力对耦合应力影响很小,碳纤维复合层最大耦合应力位于气瓶筒体和尾部封头连接处,与水压试验中声发射信号结果一致。(4)搭建试验平台,进行充气试验,结果与数值分析吻合。除了关注气瓶最终温度以及充装率,在选择充装参数时应在合理范围内降低能耗。利用气瓶结构设计、通过预冷装置对氢气降温、适当延长充装时间和采用分级充装等方法制定对气瓶快充的温升控制策略,并对气瓶充装过程进行安全监测。

关键词：碳纤维全缠绕储氢气瓶快充温升热流固耦合声发射损伤检测

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风载荷作用下球形储罐的流固耦合分析

华南理工大学学报（自然科学版） 2022年第2期50卷 67-75页

作者：黄思张果冉唐梓睿欧晨希林冠堂华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640 广东省特种设备检测研究院珠海检测院广东珠海519002

以某石化企业的丙烷球形储罐为研究对象,在ANSYS Workbench平台上充分考虑球罐的几何完整性和风载荷分布不均匀性,进行流固耦合计算分析。具体方法是先对球形储罐的外部空气流场进行三维数值模拟得到绕流流场分布,然后将流场计算结果加... 详细信息

以某石化企业的丙烷球形储罐为研究对象,在ANSYS Workbench平台上充分考虑球罐的几何完整性和风载荷分布不均匀性,进行流固耦合计算分析。具体方法是先对球形储罐的外部空气流场进行三维数值模拟得到绕流流场分布,然后将流场计算结果加载到球形储罐外表面,进行结构静力学分析。结果表明:风在球形储罐附近发生绕流时,流速先增大后减小,并在球壳和支柱背风面形成漩涡,流动分离的位置随风速增大向后推迟;风流在球形储罐迎风面形成正压区,在非迎风面形成负压区,球壳迎风面风压呈同心圆环形对称分布,由中心向边缘风压逐渐减小;球形储罐在风载荷作用下的应力较设计工况下的显著增大,经应力线性化分析和强度校核,该球形储罐满足标准要求。

关键词：球形储罐风载荷空气流场数值模拟流固耦合分析

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支柱沉降作用下球形储罐的屈曲研究

重庆理工大学学报（自然科学） 2022年第2期36卷 238-244页

作者：黄思易天坤欧晨希林冠堂华南理工大学机械与汽车工程学院广州510641 广东省特种设备检测研究院珠海检测院广东珠海519002

选取一台5000 m^(3)的在役丙烷球罐为研究对象,球罐的充装率为90%。分别建立了单根沉降、蝶形沉降和两根沉降3种情形下的屈曲有限元模型,在ANSYS Workbench平台进行了屈曲响应分析,得到了沉降的极限值,掌握了球罐在支柱沉降下的屈曲变... 详细信息

选取一台5000 m^(3)的在役丙烷球罐为研究对象,球罐的充装率为90%。分别建立了单根沉降、蝶形沉降和两根沉降3种情形下的屈曲有限元模型,在ANSYS Workbench平台进行了屈曲响应分析,得到了沉降的极限值,掌握了球罐在支柱沉降下的屈曲变形规律。研究表明:单根支柱沉降的极限值最大,蝶形沉降的极限值最小,球罐在蝶形沉降下更容易屈曲;球罐在单根沉降时屈曲变形最小,在蝶形沉降时屈曲变形最大,球罐在蝶形沉降下屈曲变形更严重;在球罐屈曲分析的前期阶段主要是小幅度的弹性变形,而当沉降量超过极限值后,球罐将产生较大幅的屈曲变形,且屈曲变形最大的位置在拉杆处;球罐在3种不均匀沉降下的屈曲响应均符合典型的分支屈曲的特点。

关键词：球罐支柱沉降屈曲分析

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基于检测支柱偏移的球罐屈曲分析

重庆理工大学学报（自然科学） 2023年第1期37卷 315-321页

作者：黄思易天坤欧晨希林冠堂华南理工大学机械与汽车工程学院广州510641 广东省特种设备检测研究院珠海检测院广东珠海519002

选取5 000 m^(3)的在役丙烷球罐为研究对象,分别建立了单根支柱底部周向偏移和径向偏移的有限元模型。在ANSYS Workbench平台进行了屈曲响应分析,掌握了支柱底部周向偏移和径向偏移的极限值以及球罐在支柱偏移下的屈曲变形规律。在此基... 详细信息

选取5 000 m^(3)的在役丙烷球罐为研究对象,分别建立了单根支柱底部周向偏移和径向偏移的有限元模型。在ANSYS Workbench平台进行了屈曲响应分析,掌握了支柱底部周向偏移和径向偏移的极限值以及球罐在支柱偏移下的屈曲变形规律。在此基础上,根据检测的支柱偏移数据,对球罐进行了屈曲分析。结果表明:在所研究的偏移量范围内支柱底部径向外偏移未出现屈曲;支柱底部径向内偏移的极限值比底部周向偏移的极限值大,支柱底部径向内偏移的屈曲变形量比底部周向偏移量小,说明球罐支柱底部在周向偏移时更容易屈曲,在支柱底部径向外偏移最不易屈曲;球罐的屈曲变形最大位置在拉杆处,该球罐在支柱底部径向内偏移和周向偏移下的屈曲响应均符合分支屈曲的特点。

关键词：球形储罐周向偏移径向偏移屈曲分析

喷砂机模型气固两相流数值模拟及PIV实验验证

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东北大学学报（自然科学版） 2022年第12期43卷 1748-1752,1768页

作者：黄思唐梓睿欧晨希华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510641

喷砂机内部颗粒撞击壁面是其失效的主要原因.为研究喷砂机内颗粒的运动规律,使用EDEM-Fluent耦合方法计算分析喷砂机模型内部气固两相流动特点.采用粒子图像测速(PIV)法,测量喷砂机内部颗粒运动情况以验证模型的有效性.结果表明:高速气... 详细信息

喷砂机内部颗粒撞击壁面是其失效的主要原因.为研究喷砂机内颗粒的运动规律,使用EDEM-Fluent耦合方法计算分析喷砂机模型内部气固两相流动特点.采用粒子图像测速(PIV)法,测量喷砂机内部颗粒运动情况以验证模型的有效性.结果表明:高速气体进入喷砂机后,在内部轴截面上产生一个带动底部颗粒运动、随时间逐渐稳定的主要漩涡,水平面上形成一个位于几何中心的漩涡;颗粒在入口气体的带动下,被吹起的高度逐渐稳定,运动速度是邻近气流速度的8%~10%;模拟结果和实验结果的局部误差和整体误差均小于10%,表明耦合计算方法是切实可行的.

关键词：喷砂机固体颗粒 EDEM-Fluent耦合 PIV方法

碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数变化规律的研究

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机电工程技术 2022年第2期51卷 7-10,123页

作者：杨刚欧晨希郭嘉炜黄思广东省特种设备检测研究院广东佛山528000 华南理工大学机械与汽车工程学院广州510641

为研究充装完成后的碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数随时间的变化规律,以氢气为工质,选取了3种常用规格的车用储氢气瓶(27 L、52 L和135 L)进行传热计算。对于气瓶内的氢气采用饱和均质模型;对于气瓶中的各隔层采用多层稳态热传导的... 详细信息

为研究充装完成后的碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数随时间的变化规律,以氢气为工质,选取了3种常用规格的车用储氢气瓶(27 L、52 L和135 L)进行传热计算。对于气瓶内的氢气采用饱和均质模型;对于气瓶中的各隔层采用多层稳态热传导的结构模型。根据饱和状态下的热平衡条件以及热力学关系,计算得到了气瓶内氢气温度、压力以及气瓶碳纤维缠绕层温度随时间的变化规律。计算结果表明:气瓶容积越大,充装完成时刻的氢气温度以及碳纤维缠绕层温度越高;静置过程中氢气温度以及碳纤维缠绕层温度均呈同趋势缓慢下降,且气瓶容积越大,下降的幅度越小,碳纤维缠绕层温度变化小于氢气温度变化。氢气压力在充装完成时刻均为70 MPa,气瓶容积越大,静置过程中氢气压力下降速度越小。

关键词：碳纤维全缠绕储氢气瓶热力学参数变化饱和均值模型热传导

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反应釜注液流动仿真的SRP项目探索实践

机电工程技术 2022年第1期51卷 6-8,24页

作者：黄思欧晨希郭嘉炜张祖文华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640

反应釜广泛应用于化工等领域,在充注反应原料过程中,因内部液体产生晃荡,容易造成反应釜罐体失稳等安全问题,因此反应釜的安全充注成为工业生产的重要课题。以本科生研究项目(SRP)为依托,研究反应釜充注液体过程中的流体动力学问题。建... 详细信息

反应釜广泛应用于化工等领域,在充注反应原料过程中,因内部液体产生晃荡,容易造成反应釜罐体失稳等安全问题,因此反应釜的安全充注成为工业生产的重要课题。以本科生研究项目(SRP)为依托,研究反应釜充注液体过程中的流体动力学问题。建立了内径为3200 mm的反应釜计算模型,利用网格划分软件ICEM对流体计算域进行结构化网格划分,通过流体仿真软件Fluent对充注过程进行流动数值模拟,研究了反应釜充注过程中内部液体的体积分数、流速分布以及罐体受力随时间的变化规律,并制作了有关的教学动画课件。仿真结果表明,液体注入反应釜瞬间,对壁面产生较大冲击力,在注液流速为v_(0)=5 m/s(注液口内径250 mm)的情况下,沿注液方向壁面所承受的流体力可达2500 N,液体瞬时流速可达8.62 m/s。随着反应釜充注的进行,罐内液体晃荡现象逐渐减弱,垂直方向壁面受力随罐内液位的增高呈线性增大,在75 s时达到180000 N。

关键词：学生研究计划反应釜充注数值模拟教学实践

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串联式锚定板抗拔承载特性及影响因素分析

中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1537-1550页

作者：刘杰邹希全湖南工业大学土木工程学院湖南株洲412007

为提高锚定板抗拔承载能力,设计串联式锚定板锚固系统。借鉴侧向受荷桩的“M”法,通过锚固系统受力平衡条件及位移连续性条件,提出串联式矩形锚定板锚固系统抗拔力-位移关系的理论分析方法。基于FLAC3D有限差分软件,建立锚定板锚固系统... 详细信息

为提高锚定板抗拔承载能力,设计串联式锚定板锚固系统。借鉴侧向受荷桩的“M”法,通过锚固系统受力平衡条件及位移连续性条件,提出串联式矩形锚定板锚固系统抗拔力-位移关系的理论分析方法。基于FLAC3D有限差分软件,建立锚定板锚固系统与土相互作用的数值模拟模型,进行埋设于黏性土中不同尺寸的方形锚定板抗拔承载力室内模型试验。结合室内模型试验及数值模拟结果,通过拟合分析,获得串联式矩形锚定板锚固系统抗拔力-位移关系的近似解析解,将3个工程案例中不同尺寸及埋深的锚定板抗拔力-位移的现场试验结果与理论分析及数值模拟结果对比,验证理论分析方法及数值模拟结果的正确性。探讨串联式方形锚定板锚固系统埋深及相邻锚定板间距对锚固系统抗拔承载力的影响。研究结果表明:当锚定板锚固系统埋深H<5b(b为锚定板边长)时,其破坏模式呈现浅埋锚定板的破坏特征;当埋设深度H≥5b时,其破坏模式呈现深埋锚定板破坏特征。对于串联式锚定板锚固系统,为避免相邻锚定板相互影响而降低锚固系统的抗拔承载能力,相邻锚定板间距应满足L≥3b。

关键词：串联式锚定板锚固系统抗拔承载力抗拔力-位移关系解析解数值模拟

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