摘要：车载储氢气瓶作为氢气的重要载体， 必须根据相关标准和技术规范进行型式试验， 其中， 气密性试验是检验车载储氢气瓶 泄漏情况的重要环节。虽然国内外颁布的相关标准对气密性试验关键试验参数提出的不同程度的要求， 但现行标准对部分试验参 数并未提出定量的要求， 且缺乏理论依据和数据支撑。基于数值仿真模型， 结合试验结果进行验证， 分析气瓶气密性试验过程的 流场分布特性， 结合气密性试验表征参量， 研究关键试验参数对气瓶气密性试验结果的影响并获得试验参数优化值。结果表明： (1) 随着增压速率的增大， 气瓶的压降时间整体呈现出逐渐增加的趋势， 且当增压速率大于 3 MPa/min 时增加幅度尤为明显; (2) 随着保压时间的增加， 气瓶的压差百分比和压降时间呈现先增加， 并在保压时间大于 90 s 时不再发生变化;(3) 当充装温度 越低， 气瓶气密性试验结果越准确;(4) 当试验介质氮气和氦气的比例相近时， 气瓶的压降时间和压差百分比最小。

　　关键词：车载储氢气瓶; 气密性试验;数值仿真;数学模型; 参数优化

　　Research on Air-tightness Test Key Parameter of Vehicle-mounted Hydrogen Storage Cylinder

　　Guo Jin1. 2 ，Zhang Geng2. 3 ，Tan Yue2 ，Li Wei2 ，Lin Haojun3 ，Hu Kun2 ，Zhou Chilou3

　　( 1. Zhejiang University, Hangzhou 310029. China; 2. Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research,

　　Guangzhou 510665. China; 3. South China University of Technology, Guangzhou 510641. China)

　　Abstract: As an important container of hydrogen, vehicle-mounted hydrogen storage cylinders should be type tested according to relevant standards and technical specifications, among which, the air-tightness test is an important process of cylinders leakage detection. Different requirements of the test parameters are given in the standards. However, the quantitative requirements with theoretical basis and data support are lack. In this research, the flow field distribution of the cylinder during the air-tightness test is studied by developing the verified numerical simulation model. Based on the characterization parameters of the air-tightness test, the influence of the test parameters is analyzed and the optimized values are obtained. The results show that: (1) with the increase of pressurization rate, the pressure drop time of the cylinder shows a trend of gradual increase, and the increase is especially obvious when the pressurization rate is greater than 3 MPa/min; (2) With the increase of holding time, the differential pressure percentage and pressure drop time of cylinders increase first and cease to change when the holding time is greater than 90 s; (3) the lower the filling temperature, the more accurate the gas-tightness test results of the cylinder; (4) when the ratio of test medium nitrogen and helium is 1∶1. the pressure drop time and pressure difference percentage of the cylinder is the smallest .

　　Key words: vehicle-mounted hydrogen storage cylinder; air-tightness test; numerical simulation; mathematical model; parameter optimization

　　引言

　　根据标准 ANSI/CSA NGV2— 1992 《车用压缩天然气 气瓶》 [1] ，车载气瓶共分 4 个类型： I 型(全金属气瓶)、 II 型(金属内胆纤维环向缠绕气瓶)、 III 型(金属内胆纤 维全缠绕气瓶及 IV 型(非金属内胆纤维全缠绕气瓶)。 由于 I 型和 II 型气瓶重容比较大，难以满足单位质量储氢 密度的要求， 用于车载储氢并不理想[2] ，而 IV 型气瓶在 高压下， 气体易从非金属内胆向外渗透且金属阀座与非 金属结构的连接强度难以保证[3]。因此， 国内主流的车 载储氢气瓶为 III 型气瓶[4]。

　　车载纤维全缠绕高压储氢气瓶作为氢气的重要载体，其设计、制造和使用必须按照相应的安全技术规范和技 术标准要求进行型式试验。其中， 气密性试验是检验气 瓶泄漏情况的重要环节。目前， 国内外均颁布了气瓶及 瓶 阀 气 密 性 检 验 相 关 的 标 准 。 标 准 GB/T35544—2017 《车载压缩气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》 [5] ，标准 GB/T 12137—2015 《气 瓶 气 密 性 试 验 方 法》 [6] ， 标 准 ISO 10297:2014《可运输气瓶-气瓶阀规范和型式试验》[7]和标 准 ISO 22435:2007 《气瓶-与压力调节器体化瓶阀技术要 求和型式试验》[8]都对气密性试验关键试验参数(增压速 率、保压时间、充装温度和试验介质)提出了不同程度的 要求。然而， 增压速率作为影响试验结果的重要参数，标准中并未提出定量的要求。虽然标准中给出了建议的 保压时间以及对气密性试验划定了充装温度的范围， 但 这些试验参数的选取缺乏理论依据和数据支撑。此外，标 准建议采用氮、氦或这些气体的惰性混合物作为试验介 质，但混合比例对气密性试验结果的影响有待一步探究。

　　为此， 本文通过开展车载储氢气瓶气密性试验过程 研究，建立车载储氢气瓶气密性试验过程数值仿真模型， 结合试验结果实现数值仿真模型的验证。基于经试验验 证的数值仿真模型， 分析气密性试验过程气瓶的流场分 布特性， 结合气密性试验稳定性表征参量(压差百分比 和压降时间)， 研究不同增压速率、保压时间、充装温度 和试验介质对气瓶气密性试验结果的影响， 获得关键试 验参数优化值， 为车载储氢气瓶气密性试验方法的应用 提供理论依据，具有重要的工程应用价值。

　　1 数值仿真

　　1.1 模型建立

　　1.1.1 控制方程

　　( 1)连续性方程

　　式中： t 为时间;ρ 为密度; k 为湍流动能; x 为轴向坐 标; u 为轴向速度分量; µ 为分子黏度; r 为径向坐标; μt 为湍流黏度; σk 和 σε 分别为 k 和 ε 对应的普朗特常数; Gk 为由于平均速度梯度而产生的湍流动能; ε 为湍流耗 散率; YM 为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的作用; C1ε 和 C2ε均为常数。

　　1.1.3 真实气体状态方程

　　本 文 采 用 Modified-Benedict-Webb-Rubin( MBWR)真实气体方程[12-13] ，方程如下：

　　式中： d 为密度; dcrit 为临界密度; n 为可调整参数; αn 为一组由 32个可调整参数构成的温度函数。

　　1.2 模型参数设置

　　1.2.1 材料参数

　　模型计算区域包括气瓶固体域和气瓶内部气体域。 气瓶固体域包括碳纤维/环氧树脂复合材料层和铝合金内 胆层， 气瓶内部气体域为试验介质， 从 Fluent 的 NIST材 料库[14] 中调用， 其物理性质由真实气体状态方程控制。 气瓶材料的热物性参数如表 1所示[15-16]。

　　1.2.2 几何模型及网格划分

　　本文用来验证数值模型的试验用储氢气瓶为容积 140 L 的 III 型气瓶， 瓶身长度为 1 400 mm， 铝内胆公称 外直径为 348 mm，采用 Spaceclaim建立气瓶的 2D轴对称 几何模型，并在完成储氢气瓶 2D轴对称几何模型的建立 后对几何模型进行预处理。采用 Ansys Meshing对经过预 处理后的几何模型进行网格划分， 气瓶固体区域(碳纤 维/环氧树脂复合材料层及铝合金内胆层) 和气体入口区 域采用结构化网格划分，气体主体区域(除入口区域外) 采用非结构化网格划分。由于气体入口处的流体湍流问题 较复杂，因此对气体入口区域采用局部加密处理。网格划 分结果如图1所示，共划分为9 365个节点和3 820个单元。

　　1.2.3 边界条件及数值算法

　　气瓶气密性试验过程包括线性升压和保压阶段。在 线性升压阶段， 采用 Fluent UDF 文件设置气瓶入口压力 随时间变化的边界条件， 在保压阶段， 将入口边界条件 设置为壁面。根据试验参数设置入口温度以及试验介质中 氦气和氮气的混合比例，气瓶内胆和内部气体界面采用流 固耦合边界， 气瓶外壁面对流传热系数为 5 W/(m·K)， 来流温度为 15 ℃。环境初始温度为 15 ℃, 气瓶内部初始 压力为 0.1 MPa。设置求解算法为 SIMPLE算法， 压力采用二阶迎风格式， 动量、湍流动能及湍流耗散率采用一 阶迎风格式， 瞬时方程采用一阶隐式。

　　1.3 流场分布特性

　　设定增压速率为 0.8 MPa/min， 保压时间为 20 min， 充装温度为 15 ℃, 采用 100% 氮气作为试验介质。模拟 得到气瓶气密性试验过程的速度场、温度场及压力场分 布特性，具体如下。

　　1.3.1 速度场

　　图 2所示为气瓶气密性模拟过程的速度场分布云图。 在充气升压阶段(40 min 之前)， 随着升压时间的增加， 入口气体速度逐渐减小， 这是因为随着气体被持续充入 气瓶， 瓶阀入口的气体不断压缩气瓶内部气体做功， 入 口气体的动能转化为瓶内气体的内能从而导致速度减小。 在升压阶段初期(10 min)， 高速气体沿着气瓶轴向射入 瓶内， 在气瓶尾部向上下两侧回流， 由于气瓶上下两侧 回流的气体与气瓶轴线方向上射入的气体速度差较大， 当回流气体经过气瓶中部时产生涡流， 并进一步增大该区域气体射入的速度， 因此在气瓶中部形成速度较大的 区域。随着升压时间的增加， 气体射入速度的减小， 气 瓶上下两侧气体回流与气瓶轴线方向上气体射入的速度 差较小， 没有形成涡流， 气瓶内部除入口区域外速度分 布均匀。在保压阶段(40 min之后)， 由于此时入口瓶阀 已关闭， 气瓶入口气体的速度迅速减小， 气瓶内部的气 体整体速度很小， 但仍有一定的动能， 且此时气瓶上下 两侧回流的气体与气瓶轴线方向上射入的气体存在一定 速度差， 因此又在气瓶中部产生涡流并形成速度相对较 大的区域。随着保压时间的增加， 由于没有新的气体的 补充，气瓶内部气体的动能逐渐转化为热能。

　　1.3.2 温度场

　　图 3所示为气瓶气密性模拟过程的温度场分布云图。 在充气升压阶段，随着升压时间的增加，气瓶内部的气体 温度逐渐上升，结合上述对速度场分布特性的分析，这是 因为入口气体的动能转化为瓶内气体的内能从而导致温度 上升，从气体域温度分布云图中也可看出瓶阀入口的气体随着轴向距离的增加温度逐渐上升，气瓶尾部的温度整体高于气瓶前端。由于气瓶复合材料层导热系数比铝合金内 胆层导热系数小得多，在升压阶段初期( 10 min)气瓶内 部气体的热量很快传递到铝合金内胆层，而难以向复合材 料层传递，因此固体域存在明显的温度分层，到升压阶段 后期(40 min)， 随着瓶内气体温度的逐渐上升，热量也逐 渐向复合材料层传递。进入保压阶段后，随着保压时间的 增加，气瓶内部的气体温度逐渐下降，这是因为此时入口 瓶阀已关闭，没有新的气体充入气瓶内部，气瓶内部气体 的热量逐渐通过瓶阀、铝合金内胆层和复合材料层向气瓶 外部传递。由于保压前气瓶前端温度整体低于气瓶尾部， 根据热力学第二定律，气体的热量由气瓶尾部向气瓶前端 传递，再通过前端的瓶阀和铝合金内胆层向气瓶外部传递， 因此，在保压阶段气瓶前端的温度明显低于气瓶尾部。

　　1.3.3 压力场

　　图 4所示为气瓶气密性模拟过程的压力场分布云图。 在充气升压阶段， 随着升压时间的增加， 气瓶内部的气 体压力逐渐上升。在升压阶段初期(10 min)， 气瓶内部 的压力呈不均与分布， 气瓶前端和尾部的压力稍高于气瓶中部的压力， 结合上述对气瓶内部速度场分布特性的 分析可知， 此时气瓶中部由于形成涡流也出现了速度较 大的区域。当升压时间大于 10 min 时， 气瓶内部压力整 体呈均匀分布。进入保压阶段后， 在保压阶段初期气瓶 内部压力会有所下降， 而当保压时间大于 10 min 时， 气 瓶内部压力基本稳定，不发生变化。

　　2 影响因素分析

　　2.1 表征参量

　　2.1.1 压差百分比

　　为了实现气瓶气密性试验稳定性的量化表征， 本试 验引入 “ 压差百分比 ” 作为气密性参量 ， 其计算公式[17-18]如下：

　　式中： Pd 为压差百分比， Pa;Pf 为最终压力， Pa;PN 为 气瓶的公称压力，Pa。

　　由式(6)可知，压差百分比越小，气瓶气密性越好。
      2.1.2 压降时间

　　根据初步模拟结果发现，气瓶内部压力在保压阶段初 期会经历一段时间的降低，而后处于恒定值。为了更全面 准确地表征气瓶试验过程的压力变化， 引入“压降时间” 来表征气瓶压力达到稳定所需要的时间，其计算公式如下：

　　Td = T2 - T1 ( 7)

　　式中： Td 为压降时间，s;T1 为气瓶进入保压阶段的时间， s;T2 为保压阶段气瓶压力达到恒定值的初始时间， s。

　　由式(7)可知，压降时间越小，说明保压阶段内气 瓶压力更快达到稳定。

　　2.2 增压速率

　　为了研究增压速率对车载储氢气瓶气密性试验的 影响， 采用 100% 氮气作为试验介质， 设定保压时间为 20 min， 充装温度为 15 ℃, 分别在 0.5、0.8、 1、3、5、 10 MPa/min 的增压速率下进行模拟。通过提取不同增压 速率下气瓶的保压压力和最终压力并进行对比， 进一步 定量分析试验过程增压速率对气密性试验结果的影响。 由图 5 可知， 随着增压速率的增大， 气瓶保压压力和 最终压力整体呈现逐渐下降的趋势， 且当增压速率大于 3 MPa/min 时， 气瓶保压压力和最终压力的下降尤为明 显。图 6 为不同增压速率下气瓶的压降时间及压差百分 比， 可以看出， 随着增压速率的增大， 气瓶的压差百分 比整体没有呈现线性变化的趋势， 而气瓶的压降时间整 体呈现出逐渐增加的趋势，且当增压速率大于 3 MPa/min 时， 气瓶压降时间的增加尤为明显， 即保压阶段气瓶内 部压力达到稳定所需的时间越长， 而这会影响试验人员 对气密性试验结果的判断。因此， 建议气瓶气密性试验 过程的增压速率不宜超过 3 MPa/min。

　　2.3 保压时间

　　采用 100% 氮气为试验介质， 以充装温度为 15℃ , 增压速率为 1 MPa/min 的模拟工况为例， 分析不同保压 时间(0、30、60、90、300、1 100 s) 对车载储氢气瓶 气密性试验的影响。由图 7可知， 随着保压时间的增加， 气瓶最终压力逐渐下降直到保压时间达到 90 s后开始保 持恒定。图 8所示为不同保压时间下气瓶的压降时间及 压差百分比， 可以看出， 随着保压时间的增加， 气瓶的 压差百分比和压降时间呈现先增加后稳定的趋势， 当保 压时间大于 90 s 时， 气瓶压差百分比和压降时间随着保 压时间的增加不再发生变化。显然， 在气瓶压力保持稳 定的阶段读取气密性试验结果要更为准确、可靠， 因此， 建议气瓶气密性试验过程的保压时间大于 90 s。

　　2.4 充装温度

　　采用100%氮气作为试验介质，设定保压时间为20 min， 增 压 速 率 为 1 MPa/min， 分 别 在 -20、0、 15、 30、 65、 85 ℃的充装温度下进行模拟。如图 9所示，随着试验过程 充装温度的上升，气瓶的保压压力基本没有变化，而气瓶 的最终压力随之下降， 当充装温度大于15 ℃时，气瓶保压 压力与最终压力的差值大于 0.1 MPa。图 10为不同保压时 间下气瓶的压降时间及压差百分比，可以看出，随着充装 温度的上升，气瓶的压降时间和压差百分比呈现近似线性增大的趋势，说明充装温度越低，气瓶气密性试验结果越 准确。然而，在低温下进行气瓶气密性试验需配备相应的 冷却系统，这需要更多的成本和能耗。因此，在成本充足 的情况下，可以采用较低的充装温度，而从经济性和节能的 角度出发，建议气瓶气密性试验过程的充装温度为 15 ℃。

      2.5 试验介质

　　采用氮气、氦气以及两者按不同比例混合(#100、 #80、#60、#40、#20、#0.数值代表氮气的百分比) 的气 体作为试验介质进行数值仿真，设定保压时间为 20 min， 增压速率为 1 MPa/min。如图 11所示， 随着试验介质中 氦气混合比例的增大， 气瓶的保压压力没有明显变化， 但气瓶的最终压力呈现先上升后下降的趋势， 且保压压 力与最终压力的差值均在 0.1 MPa 以内。图 12 为不同试 验介质下气瓶的压降时间及压差百分比，可以看出，随着 试验介质中氦气混合比例的增大，气瓶的压降时间和压差 百分比均呈现先减小后增大的趋势，说明当试验介质氮气 和氦气的比例相近时， 气瓶的压降时间和压差百分比最 小，此时气瓶气密性试验结果最为准确。综上所述，由于 氮气和氦气均具备显著的化学稳定性，在其他试验参数选 取合适的前提下， 均能获得准确的气密性试验结果。然 而，氦气的成本相对较高，在成本充足的情况下，可以采 用氦-氮比例为 1 ∶ 1 的混合气体作为试验介质， 而在考 虑经济性的情况下， 氮气也能满足气密性试验的要求。

　　3 结束语

　　本文通过开展车载储氢气瓶气密性试验过程研究， 基于经试验验证的数值仿真模型，分析气瓶气密性试验过 程的流场分布特性，结合气密性试验表征参量，研究关键 试验参数对气瓶气密性试验结果的影响，得到以下结论。

　　( 1) 随着增压速率的增大，气瓶的压降时间整体呈现 出逐渐增加的趋势，且当增压速率大于 3 MPa/min 时增加 幅度尤为明显，这会影响试验人员对气密性试验结果的判 断，建议气瓶气密性试验的增压速率不宜超过 3 MPa/min。

　　(2) 随着保压时间的增加， 气瓶的压差百分比和压 降时间呈现先增加， 并在保压时间大于 90 s 时不再发生 变化。为了能读取更为准确可靠的试验结果， 建议气瓶 气密性试验的保压时间大于 90 s。

　　(3) 当充装温度越低，气瓶气密性试验结果越准确。在成本充足的情况下， 可以采用较低的充装温度， 而从经济性和节能的角度出发， 建议气瓶气密性试验的充装温度为 15 ℃ 。

　　(4) 当试验介质氮气和氦气的比例相近时， 气瓶的 压降时间和压差百分比最小。在成本充足的情况下， 建 议采用氦-氮比例为 1 ∶ 1的混合气体作为试验介质，而在考虑经济性的情况下，氮气也能满足气密性试验的要求。

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