基于数值模拟的汽车储氢罐TPRD泄放风险预警方法

基于数值模拟的汽车储氢罐tprd泄放风险预警方法
技术领域
1.本发明涉及新能源汽车安全技术领域，尤其是基于数值模拟的汽车储氢罐tprd泄放风险预警方法。


背景技术：

2.氢燃料电池汽车作为一种完全无污染的新能源交通工具，已经在日本、欧洲得到大规模普及。我国也陆续推出多个品牌的氢燃料电池汽车以取代传统燃油车，减少碳排放。氢燃料电池汽车采用高压储氢罐储存氢气，压力一般为35mpa或70mpa，储氢罐内的氢气通过管路输送至燃料电池发电，从而驱动电动机运转。由于储氢罐内部压力较大，在火灾或冲击的状况下，可能会造成压力失控，超出储氢罐的承压极限，造成氢气爆炸。因此，一般储氢罐上均配有热压力释放装置即tprd，一旦周围发生火灾导致温度超出警戒值或储罐内部压力失控，tprd就会自动开启，储氢罐内的氢气即可通过tprd附属管路泄放到空气中，避免储氢罐发生爆炸。
3.然而，大量氢气直接向空气中泄放，会形成可燃气云。由于氢气储存压力高，泄放流量大，释放出的氢气并不会快速向空中扩散，反而会在地面附近形成气云，一旦遇到明火，可能会造成严重的爆炸事故。目前，投入市场的氢燃料电池汽车虽然都在储氢罐上布置了tprd及泄放管路以保护汽车本身，然而对氢气泄放后发生燃爆的预防方法并不完善，更不能对氢气泄放后形成的可燃气云尺寸及影响范围进行预警，因此，一旦tprd意外开启，大量氢气排入空气中，可能会造成极大的安全隐患。
4.随着氢燃料电池汽车的推广，急需针对高压储氢罐上tprd泄放氢气带来的燃爆风险范围进行预警，以便于在氢燃料电池汽车发生交通事故的情况下，对储氢罐上tprd氢气泄放形成的可燃气云的燃爆风险范围进行快速评估。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供基于数值模拟的汽车储氢罐tprd泄放风险预警方法，能够在实际工况下对tprd泄放氢气的燃爆风险范围进行快速准确的评估，便于在氢燃料电池汽车发生交通事故的情况下，及时做出风险预警。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：基于数值模拟的汽车储氢罐tprd泄放风险预警方法，包括以下步骤：s1，分别对汽车、汽车储氢罐上的热压力释放装置即tprd、tprd泄放管道、tprd泄放口进行几何参数测量，并建立三维几何模型；s2，根据三维几何模型建立流体动力学仿真模型，对流体动力学仿真模型进行网格划分；s3，针对储氢罐内不同的氢气压力和大气环境中不同的环境风条件，分别进行模拟计算，模拟储氢罐内氢气通过tprd泄放管道和tprd泄放口泄放至大气环境中的泄压扩散过程，计算流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数，并根据各个网格的氢气体积
分数分析得到氢气泄放至大气环境中的燃爆风险范围，从而建立不同的氢气压力和不同的环境风条件下对应的燃爆风险范围数据库；s4，对tprd泄放氢气的燃爆风险范围进行预警时，根据实际工况下的储氢罐内剩余氢气压力和环境风条件，从燃爆风险范围数据库中获取实际工况所对应的燃爆风险范围。
7.优选的，步骤s1中，对汽车外部进行几何参数测量并建立汽车的三维几何模型，对暴露在汽车外部的tprd、tprd泄放管道、tprd泄放口进行几何参数测量并建立tprd的三维几何模型，将汽车的三维几何模型和tprd的三维几何模型进行组合，得到最终的三维几何模型。
8.优选的，步骤s2中，在三维几何模型外增加计算域，所述计算域以汽车为中心点，计算域的长度大于10倍的汽车长度，计算域的宽度大于10倍的汽车宽度，计算域的高度大于5倍的汽车高度；对计算域进行布尔减运算，将三维几何模型从计算域中去除，形成流体动力学仿真模型。
9.优选的，步骤s2中，对流体动力学仿真模型进行网格划分时，计算域分为内部区域和外部区域，内部区域中的网格尺寸小于外部区域中的网格尺寸；其中，所述内部区域是：以汽车为中心点，长度为3倍的汽车长度，宽度为3倍的汽车宽度，高度为2倍的汽车高度所构成的区域；所述外部区域即为计算域中除内部区域之外的区域。
10.优选的，步骤s3中，根据储氢罐内的氢气压力范围，以固定值作为分隔，设置若干个不同的氢气压力；环境风条件包括风力等级和风向，根据风力大小设置若干个不同的风力等级，并设置了若干个不同的风向，利用若干个不同的风力等级和若干个不同的风向进行组合构建不同的环境风条件。
11.优选的，步骤s3中，模拟储氢罐内氢气泄放至大气环境中的泄压扩散过程包括：分析储罐内氢气降压过程，根据储罐内氢气压力的变化得到tprd泄放口处的氢气流速；根据tprd泄放口处的氢气流速和环境风条件，计算不同时刻下流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数。
12.优选的，步骤s3中，将氢气体积分数处在设定范围内的网格作为风险网格，即存在燃爆风险；由风险网格构成的区域即为燃爆风险区域，根据燃爆风险区域得到tprd泄放氢气的燃爆风险范围。
13.优选的，将氢气体积分数处在4%～75%范围内的网格作为风险网格。
14.优选的，步骤s3中，利用流体动力学计算软件openfoam进行仿真计算，得到不同时刻下流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数。
15.优选的，步骤s4中，从燃爆风险范围数据库中先调取与实际工况中环境风条件相同的各个氢气压力的燃爆风险范围，再调取出与实际工况中氢气压力相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围，最后对相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围进行线性插值，得到实际工况所对应的燃爆风险范围。
16.本发明的优点在于：（1）本发明提供了一种基于数值模拟技术的氢燃料汽车储氢罐上tprd泄放的风险预警方法，本发明采用数值模拟技术对氢燃料汽车高压储氢罐的tprd装置启动后的氢气泄
放过程进行模拟，通过对不同氢气压力、不同环境风条件下的氢气泄放形成的可燃气云的燃爆风险范围进行汇总，建立燃爆风险范围数据库，从而能对实际交通事故中的氢燃料汽车上tprd泄放氢气造成的燃爆风险范围进行快速评估，及时做出风险预警，避免燃爆风险范围内出现火源导致爆炸。
17.（2）本发明的风险预警方法所花费成本的低，不需要采用大量的人力和设备，仅需利用计算机软件对不同氢气压力和不同环境风条件下的氢气泄放过程进行数值模拟即可。
18.（3）本发明的风险预警方法还具有准确性，数值模拟技术发展成熟，对氢气泄放过程的模拟已经过大量的验证，模拟计算出的氢气浓度和速度衰减过程与理论预测非常接近。
19.（4）本发明对流体动力学仿真模型进行网格划分时，将计算域分为内部和外部两个区域，内部区域的网格尺寸小于外部区域的网格尺寸，在保证计算精度的同时还提高了计算速度。
20.（5）本发明的风险预警方法具有快速性，前期根据通过数值模拟技术预先计算出若干个不同工况下的燃爆危险范围并建立数据库后，后续在分析实际工况下的燃爆危险范围时只需进行简单的线性插值，可以极大地缩短预警时间。
附图说明
21.图1为本发明的基于数值模拟的汽车储氢罐tprd泄放风险预警方法流程图。
22.图2为轿车的模型示意图。
23.图3为tprd泄放管道和泄放口的模型示意图。
24.图4为流体动力学仿真模型示意图。
25.图5为二级正西风作用下氢气泄放形成的燃爆风险范围轮廓图。
26.图6为二级正西风作用下氢气压力与燃爆风险范围之间的关系曲线。
27.图7为一级正南风作用下氢气泄放形成的燃爆风险范围轮廓图。
28.图8为一级正南风作用下氢气压力与燃爆风险范围之间的关系曲线。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1所示，一种基于数值模拟的汽车储氢罐tprd泄放风险预警方法，包括如下步骤：s1，分别对汽车、汽车储氢罐上的热压力释放装置即tprd、tprd泄放管道、tprd泄放口进行几何参数测量，并建立三维几何模型。
31.步骤s1中，对汽车外部进行几何参数测量并建立汽车的三维几何模型，对暴露在汽车外部的tprd、tprd泄放管道、tprd泄放口进行几何参数测量并建立tprd的三维几何模型，将汽车的三维几何模型和tprd的三维几何模型进行组合，得到最终的三维几何模型。其中，对汽车的几何参数测量和建模仅针对汽车的外部尺寸，并不测量汽车内部尺寸，对tprd
以及tprd泄放管道、tprd泄放口的几何参数测量，仅针对暴露在汽车底盘之外的tprd部分组件以及tprd泄放管道和tprd泄放口进行测量，作为计算氢气泄放的入口条件，并不对安装在汽车内的储氢罐进行测量和建模。
32.s2，根据三维几何模型建立流体动力学仿真模型，对流体动力学仿真模型进行网格划分。
33.步骤s2中，在三维几何模型外增加计算域，所述计算域以汽车的质量中心为中心点，计算域的长度大于10倍的汽车长度，计算域的宽度大于10倍的汽车宽度，计算域的高度大于5倍的汽车高度；对计算域进行布尔减运算，将三维几何模型从计算域中去除，形成流体动力学仿真模型。
34.对流体动力学仿真模型进行网格划分时，计算域分为内部区域和外部区域，内部区域的网格尺寸小于外部区域的网格尺寸。其中，所述内部区域是：以汽车为中心点，长度为3倍的汽车长度，宽度为3倍的汽车宽度，高度为2倍的汽车高度所构成的区域；所述外部区域即为计算域中除内部区域之外的区域。
35.s3，针对储氢罐内不同的氢气压力和大气环境中不同的环境风条件，分别进行模拟计算，模拟储氢罐内氢气通过tprd泄放管道和tprd泄放口泄放至大气环境中的泄压扩散过程，计算流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数，并根据各个网格的氢气体积分数分析得到氢气泄放至大气环境中的燃爆风险范围，从而建立不同的氢气压力和不同的环境风条件下对应的燃爆风险范围数据库。
36.步骤s3中，根据储氢罐内的氢气压力范围，以固定值作为分隔，设置若干个不同的氢气压力；环境风条件包括风力等级和风向，根据风力大小设置若干个不同的风力等级，并设置了若干个不同的风向，利用若干个不同的风力等级和若干个不同的风向进行组合构建不同的环境风条件。
37.利用流体动力学计算软件openfoam进行模拟和仿真计算，模拟储氢罐内氢气泄放至大气环境中的泄压扩散过程，包括：分析储罐内氢气降压过程，根据储罐内氢气压力的变化得到tprd泄放口处的氢气流速。根据tprd泄放口处的氢气流速和环境风条件，计算不同时刻下流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数。
38.其中，泄放口处的氢气流速是根据流体力学和热力学知识理论分析得到的，tprd泄放口的流速与储氢罐内的氢气压力是挂钩的，随着时间推进，压力不断降低，流速也不断降低。因此，将tprd泄放口处的氢气流速作为一个边界条件导入openfoam软件，openfoam软件会根据流速不断计算整个计算域内每个网格的氢气浓度。
39.针对任一特定的氢气初始压力和环境风条件，采用流体动力学计算软件openfoam进行仿真计算，模拟储氢罐内氢气泄放至大气环境中的扩散过程。考虑到氢气的泄放会造成储氢罐内压力不断降低，进而导致tprd泄放口的流速不断降低，因此，在开始仿真之前需根据可压缩流体流动理论，分析出tprd泄放口的氢气流速随时间的变化过程，并以此作为tprd泄放口的边界条件。根据可压缩流动理论可知，在高压条件下，tprd泄放口的氢气处于阻塞状态，其流速等于当地音速，数值与初始压力相关。在极小的时间内，可以认为流速是恒定的，从而能分析出储氢罐在这一极小时间段内流出的氢气质量以及储氢罐内剩余氢气的质量和压力，再以此为基础，分析下一个时间段内流出的氢气质量以及泄放口流速。如此反复迭代计算，即可得到储氢罐内压力衰减曲线、质量衰减曲线以及tprd泄放口处的氢气
流速曲线。之后，将理论分析得到的tprd泄放口处的氢气流速和环境风条件输入openfoam软件作为边界条件，计算不同时刻下流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数。openfoam软件是开源的计算流体力学软件，采用有限体积法求解描述流体运动的偏微分方程，已被大量应用于数值计算和科学研究。氢气泄放扩散过程在物理学上可采用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程进行描述，只需在openfoam中设置好模型边界上的流速、方向、以及浓度，基于openfoam软件将上述方程在整个计算域上离散为线性方程组，并通过矩阵计算工具进行求解运算，获得不同时刻计算域内每个网格中心处的氢气流速、氢气体积分数等。
40.将氢气体积分数处在设定范围内的网格作为风险网格，即存在燃爆风险；由风险网格构成的区域即为燃爆风险区域，根据燃爆风险区域得到tprd泄放氢气的燃爆风险范围。其中，将氢气体积分数处在4%～75%范围内的网格作为风险网格。
41.s4，对tprd泄放氢气的燃爆风险范围进行预警时，根据实际工况下的储氢罐内剩余氢气压力和环境风条件，从燃爆风险范围数据库中获取实际工况所对应的燃爆风险范围。
42.步骤s4中，从燃爆风险范围数据库中先调取与实际工况中环境风条件相同的各个氢气压力的燃爆风险范围，再调取出与实际工况中氢气压力相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围，最后对相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围进行线性插值，得到实际工况所对应的燃爆风险范围。
43.实施例1如图2所示，对宝马一系轿车的外壳、底盘及轮胎进行几何参数测量并建模。同时，如图3所示，针对汽车底盘下方的热压力释放装置tprd、tprd泄放管道、tprd泄放喷嘴即泄放口进行几何参数测量和建模，作为计算氢气泄放的入口条件，并将轿车模型和tprd模型进行组合，得到最终的三维几何模型。
44.如图4所示，在三维几何模型外增加计算域作为氢气扩散的流动区域，并对计算域进行布尔减运算得到流体动力学仿真模型；所述计算域以汽车为中心点，计算域的长度大于10倍的汽车长度，计算域的宽度大于10倍的汽车宽度，计算域的高度大于5倍的汽车高度，以保证计算结果不受计算域边界的影响；对计算域进行布尔减运算，将轿车和tprd泄放管道以及tprd泄放口从计算域中去除，形成流体动力学仿真模型。
45.本实施例中，采用gmsh软件对流体动力学仿真模型进行网格划分，为了提高计算精度，将计算域分为内部和外部两个区域，贴近轿车的区域为内部区域，而计算域中的剩余区域即远离轿车的区域为外部区域。本实施例中，内部区域的长度和宽度分别为轿车长度的3倍和宽度的3倍，高度为轿车高度的2倍。内部区域的网格进行加密处理，外部区域的网格使用普通网格，以减小计算的复杂度。
46.本实施例中，在流体动力学计算软件openfoam中设置边界条件，包括氢气泄放口的边界条件、环境风入口的边界条件、压力出口的边界条件、壁面的边界条件。其中，所述氢气泄放口的边界条件是指tprd泄放口处的氢气流速，氢气泄放口的边界条件要根据可压缩流动理论，综合高压储氢罐内的压力和tprd泄放口直径，分析泄放口处氢气流速的衰减过程。所述环境风入口的边界条件是指环境风的风速，包括风力和风向，环境风入口的边界条件根据风速等级进行设置。所述压力出口的边界条件是指环境风的下游边界，空气和氢气
的混合物从这一边界流出计算域，通常将这一边界上的压力设置为大气压。所述壁面的边界条件是指地面和轿车表面，壁面的边界类型为无滑移。
47.本实施例中，求解模型采用k-epsilon湍流模型和组分输运模型，并采用piso算法进行时间推进。
48.设定完成后启动openfoam软件进行计算，模拟得到储氢罐上tprd泄放氢气后，不同时刻下流体动力学仿真模型中各个网格的氢气体积分数，由此获得氢气在大气环境中泄压扩散形成的浓度场，考虑到氢气在空气中的燃烧极限为4%～75%（氢气体积分数），因此，将求解得到的流体动力学仿真模型中氢气体积分数处在4%～75%这一范围内的网格作为风险网格，即存在燃爆风险，通过对满足条件的风险网格进行统计，即可得到tprd泄放氢气形成的氢气云团在空气中的燃爆风险范围。
49.调整储氢罐内的氢气压力以及环境风的风力等级和风向，计算出不同的氢气压力和不同的环境风条件下的燃爆风险范围，从而建立不同的氢气压力和不同的环境风条件下对应的燃爆风险范围数据库。本实施例中，储氢罐内的初始氢气压力在5mpa～70mpa范围下，以5mpa作为分隔，共设置14种不同的初始压力；设置1～6级常见风力等级以及16个风向，包括东、南、西、北、东南、西南、东北、西北、东东南、南东南、西西南、南西南、北东北、东东北、西西北、北西北。
50.对tprd泄放氢气的燃爆风险范围进行预警时，根据实际工况下的储氢罐内剩余氢气压力、环境风的风向和风力等级，首先在燃爆风险范围数据库中调取相同环境风条件下各个氢气压力的燃爆风险范围，再调取出与实际工况中储氢罐内剩余氢气压力相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围，最后对相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围进行线性插值，得到实际工况所对应的燃爆风险范围。
51.场景一：实际工况下的环境风的风力等级为2级，风向为正西，储氢罐内剩余氢气压力为43.5mpa时，如图5所示，此时氢气泄放方向与环境风方向一致，氢气泄放形成的可燃气云被环境风吹向轿车正后方，可燃区域的形状呈长条状；调取对应风力等级和风向条件下与43.5mpa相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围，即40mpa和45mpa的燃爆风险范围，如图6所示，对氢气压力为40mpa和45mpa时的燃爆风险范围进行线性插值，可以得到氢气压力为43.5mpa时，tprd泄放氢气造成的燃爆风险范围为40.42m。
52.场景二：实际工况下的环境风的风力等级为1级，风向为正南，储氢罐内剩余氢气压力为17.8mpa时，如图7所示，此时氢气泄放方向沿x轴正向，环境风方向沿y轴正向，两者垂直，氢气泄放受到环境风的影响发生偏转，因此造成x和y两个方向上均需考虑燃爆风险范围；调取对应风力等级和风向条件下与17.8mpa相邻近的两个氢气压力的燃爆风险范围，即15mpa和20mpa的燃爆风险范围，如图8所示，对氢气压力为15mpa和20mpa时的燃爆风险范围进行线性插值，可以得到氢气压力为17.8mpa时，tprd泄放造成氢气的x方向燃爆风险范围和y方向燃爆风险范围分别为19.09m和7.22m。
53.本发明的一种基于数值模拟技术的氢燃料汽车储氢罐上tprd泄放的风险预警方法，针对高压氢气泄放具有预防性，由于该技术方案采用数值模拟技术，可以提前模拟出不同环境风条件下，一定压力的氢气泄放所形成的可燃气云的燃爆风险范围，并据此建立燃爆风险范围数据库，因此在实际工况下可采用线性插值的方法快速分析出任意环境风和氢气压力下的氢气泄放所造成的燃爆危险范围。本发明方法还具有准确性，数值模拟技术发
展成熟，对氢气泄放过程的模拟已经经过大量的验证，计算出的氢气浓度和速度衰减过程与理论预测非常接近；该方法所花费成本的极低，技术方案不需要采用大量的人力和设备，仅需利用计算机软件对不同条件下的氢气泄放过程进行数值模拟即可；本发明方法还具有快速性，前期根据技术方案计算出14组压力工况，6级风力以及16个风向条件下的燃爆危险范围并建立数据库后，分析实际工况条件下的燃爆危险范围时只需进行简单的线性插值，可以极大地节省预警时间。
54.以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。