3-81  自流式充氢过程数值模拟

石正军  唐  涛  赵晓平

高压罐向真空容器充氢是一个流动变化非常剧烈的瞬态高速过程。由于实验研究手段存在很大困难，既不容易准确测量瞬态的物理参数，更不容易同时测量物理参数的分布情况，因此有必要使用数值模拟手段进行研究。

在充氢过程中，存在着极大的压力差，气体流动速度基本上一直处于高速状态，即气体惯性力远远大于其黏性力，故可以使用无黏性的可压缩高速气体流动模型。这同时也简化了计算量，使这类极耗时的非稳态过程计算机模拟可能完成。

局部的高速气体流动会造成显著的温度变化，这通常又会引起流体物性参数产生明显差异，而使所求方程组的非线性特点显著。为了有效地模拟充氢过程中气体流动的瞬态特性，必须使用耦合求解方法，其求解流程见图1。

为了使上述非稳态过程的计算机模拟能够稳定地进行，必须在管道内部及管道与容器连接区域同时布置密集的网格(如10^-1 mm量级边长网格)，并且把计算时间步长控制在足够小(如纳秒量级步长)的程度，并依随流动状态变化的稳定程度和压力比的降低而逐渐放大计算时间步长。

通过计算机模拟可以获得如下认识：(1) 极高压力比下的充气过程会在局部产生强烈的超音速气流，并在充气开始时伴随有‘爆炸’现象。(2) 细长管道能够从压力波的持续时间和冲击力量两方面显著减弱所产生的‘爆炸’现象，并延长压力波的震荡时间和充气时间。(3) 在充气初始瞬间，由于压力比很大，因此真空容器内的气体平均压力增加得很快，并且几乎以线性的方式增加，见图2。(4) 因‘爆炸’缘故，充气开始时会在真空容器内产生极度不均匀的瞬态高温，而后容器内的温度水平会‘缓慢’下降，并逐渐改善其分布的均匀程度，但容器内的平均温度仍然会高于其起始温度，见图3。(5) 由于充气过程的氢气压比非常大，因此需使用足够小的时间步长才能完成充气过程的计算机模拟。

根据所存在的独特压力、温度的变化和分布特点，可以采取相应的一些措施改进充氢过程。