克服氢能技术设计挑战

随着全球各国加大减排力度，氢能作为一种有前途的替代燃料在交通和发电领域崭露头角。如果使用可再生能源生产氢气，氢能驱动的设备在其运行寿命期间有潜力实现零碳排放。然而，将设计用于传统碳氢燃料的机器转换为使用氢气的机器，对工程师来说面临许多挑战。氢气的特性包括低密度、高质量扩散率、可燃范围宽、高燃烧速度和低点火能量。在设计氢能技术时，必须考虑所有这些特性。

CONVERGE CFD软件提供了丰富的功能和建模选项，使其成为解决氢能设计挑战的理想工具。CONVERGE的自动网格生成简化了案例设置，即使是复杂的几何形状也能轻松应对。此外，CONVERGE包括一个快速的详细化学求解器和一系列先进的燃烧、湍流、共轭传热和多相流模型库，这些功能都极大的提升了仿真的效率和准确性。

CONVERGE的氢能建模能力

1.对复杂几何外形的快速案例设置

无论您模拟的是什么技术，CONVERGE都可以解决网格生成的问题。通过其全自动网格生成，CONVERGE在计算时使用一种全新的切割网格技术生成高质量的笛卡尔网格，该方法可以完美保持几何形状。对于包括移动边界的情况，CONVERGE会在每个模拟时间步长重新生成网格，以适应运动同时保持网格的完整性。

2. 高效捕获氢气动力学

由于氢气的高速注入和燃烧速度，需要更细的网格来捕获基础物理现象。CONVERGE的自适应网格加密（AMR）在模拟过程中自动调整网格，在动态物理现象的区域添加单元格，并在其他区域粗化网格，以实现所需模拟计算时间的最准确网格加密分布。AMR在氢气模拟中尤为重要，用于捕获高速气体喷射、燃料-空气混合、冲击波和快速移动的火焰前沿。

3. 准确模拟氢气和多燃料燃烧

CONVERGE的SAGE详细化学求解器为氢气及其混合物提供预测性燃烧和排放结果。CONVERGE包括C3机理，这是一种由计算化学联盟创建和验证的代理燃料的详细动力学机制，用于与SAGE求解器一起使用。C3机理包含氢气和其他数十种常用燃料种类的化学成分。CONVERGE的图形用户界面CONVERGE Studio提供了从C3机理中提取感兴趣的燃料化学成分的工具，并创建简化的骨架机理以便于缩短仿真计算的时间。对于双燃料应用，C3机理允许您使用来自同一父机制的化学成分模拟与其他燃料（例如，氨或柴油）结合的氢气。

由于氢气的层流火焰速度更高和火焰厚度更小，需要尺度极其小的细网格才能完全求解火焰传播和燃料燃烧。CONVERGE包括一个增厚火焰模型（TFM），该模型人为地加厚火焰，允许在LES模拟中以降低的计算成本准确预测燃烧事件。CONVERGE还配备了一系列简化的燃烧模型，包括G-方程、ECFM和湍流耗散模型，可用于氢气燃烧建模。

氢能应用

内燃机

将氢气作为内燃机的燃料，除了减少碳排放外，还提供了许多好处。氢气的火焰速度更快和辛烷值更高，减少了爆震的倾向，允许更高的压缩比和更高的热效率。然而，氢气的燃烧温度比传统碳氢燃料高，这可能导致燃烧室壁上的热点，并可能引起不希望的自燃和更高的NOx排放。在某些工况下，氢气内燃机也容易受到燃烧不稳定性的影响。在双燃料发动机中，气缸缝隙中捕获的氢气可能在气门重叠期间点燃，可能导致火焰回溯到加油进气口。

准确模拟氢气喷射是实现可靠燃烧和排放预测的关键。CONVERGE能够捕捉氢气的高速直接喷射，并使用其超音速射流能力、真实气体状态方程模型和自适应网格细化解决相关的冲击波。CONVERGE具有简化或详细的NOx模型，以预测发动机的NOx排放量，允许工程师虚拟测试NOx控制策略（例如，稀燃、废气再循环、水注入）。此外，CONVERGE包含多种用于通过发动机后处理系统降低NOx的工具。

为了减轻内燃机中的火焰回溯，可以在进气歧管中放置一个火焰阻燃器。火焰阻燃器由许多狭窄通道组成，它们在火焰试图穿过设备时吸收热量，使火焰温度降低到足以熄灭的温度。CONVERGE的自动网格生成能力可以轻松创建火焰阻燃器复杂几何形状内的网格。CONVERGE的湍流、燃烧和共轭传热建模能力有助于确定火焰是否会被阻止，并研究通道壁在经历多次回火事件后随时间升温的情况。

燃料电池

质子交换膜（PEM）燃料电池，也称为聚合物电解质膜燃料电池，将氢气和氧气反应的化学能转换为电能。PEM燃料电池常在交通领域应用，原因就在于：它们的唯一排放物是水和热，具有相对较长的使用寿命和低操作温度，现有的加油基础设施可以用于氢气分配。

CFD可以帮助工程师通过预测极化曲线和电流密度、温度和物种浓度分布来提高PEM燃料电池的性能和效率。CONVERGE的多相流和共轭热传递建模允许您监控燃料电池的水含量，以避免阴极洪水和膜干燥。为了模拟燃料电池的催化剂层，CONVERGE具有超薄层模型。这种计算高效的模型假设电化学反应发生在膜和催化剂之间的界面。此外，CONVERGE的自动网格生成与镶嵌网格能力可以有效捕捉现代燃料电池几何形状的复杂性。

燃气轮机

氢能驱动的燃气轮机可以帮助推进发电行业的可持续性。开发新的燃气轮机发动机或修改现有的发动机以适应氢气燃料，需要仔细考虑各种因素，CONVERGE在这方面可以发挥很大的作用。

虽然一些燃气轮机可能被设计为完全使用氢气运行，但在短期内，许多燃气轮机发动机将使用氢气和碳氢燃料（例如，天然气）的混合物。工程师必须确定两种燃料的混合比例和工况条件，来达到最佳性能，同时保持排放合规并避免由于燃烧氢气过热而对机器造成损害。CONVERGE的详细化学求解器可以兼容任何燃料混合物的变化，只需要准确的燃料化学机理。此外，CONVERGE具有多种排放建模选项和强大的共轭传热模型，用于研究固体组件的温度分布。

燃气轮机设计师的另一个主要关注点是防止火焰回溯，这是一种火焰向燃料喷射器移动的现象，可能导致硬件严重损坏。预测火焰回溯是一项挑战，因为非稳态流体动力学和化学动力学之间存在复杂的相互作用。CONVERGE通过LES湍流建模、有限速率详细化学和自适应网格细化，可以准确预测回火极限和随后的火焰上游传播。

评估氢气和氢气混合物的贫燃熄火极限（LBO）是燃气轮机设计的另一个重要方面。贫燃燃烧方法可以帮助燃气轮机设计师满足严格的排放法规，但这些方法可能导致火焰不稳定性和LBO。CONVERGE的LES湍流建模和快速详细化学求解器可以捕捉到准确预测氢气和氢气混合物LBO极限所需的复杂流场和化学动力学过程。

旋转爆轰发动机

旋转爆轰发动机（RDE）是动力和发电应用行业的先进概念。与传统燃气轮机相比，RDE有潜力实现更高的效率、更低的排放和更大的推力。在设计氢能驱动的RDE时，必须考虑许多复杂现象，包括爆轰波的结构和动力学、壁面热传递、燃烧稳定性和排放。

CONVERGE的自动网格生成、详细化学和先进的湍流模型有助于研究不同工况条件和设计参数如何影响RDE中的燃烧动力学。CONVERGE可以准确预测关键的RDE现象，包括波频率、波高和热释放。此外，CONVERGE的自适应网格细化有助于捕捉高速氢气注入和爆轰波前锋，同时保持整体单元格数量合理。

安全与储存

随着氢能使用的扩大，对于安全有效的氢气储存和运输方法的需求日益增加。储存单元必须设计得能够处理氢气的高挥发性和可燃性，并在泄漏时降低点火风险。CFD是设计氢气储存系统和优化储罐充填和排空过程的高效经济方法。

CONVERGE包含多种建模方法，用于研究氢气储存罐的充填和排空过程：低温和高压条件下的液体和气体性质、液体罐中的多相流体积流体模型、捕获低温氢气蒸发的沸腾模型，以及评估储罐壁温度分布的共轭传热模型。

在某些条件下，高压储存的氢气在暴露于环境空气时可能会自燃，就像储存容器泄漏的情况一样。因为氢气通过一个小泄漏通道传播，自燃是由于摩擦、冲击压缩和粘性加热引起的。通过CONVERGE的镶嵌网格，可以实现靠近壁面的精细网格分辨率，捕获壁面的粘性加热并预测边界层中的氢气-空气混合。CONVERGE的详细化学求解器和LES湍流建模可以准确捕获自燃过程。

如果氢气发生着火，了解导致爆轰到爆炸过渡（DDT）的条件很重要，因为由于热和压力负荷的增加，DDT可能极具破坏性。CONVERGE提供了多种工具来模拟过渡，包括详细化学、简化的燃烧模型和广泛的湍流模型选择。加厚火焰模型和自适应网格细化有助于捕获火焰前沿和冲击波，以降低计算成本实现更准确的模拟。