首頁(yè) > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《The Power of Hydrogen & Simulation: Lowering Emissions & Accelerating Toward Net–Zero》
Cabra氫火焰的預(yù)測(cè)平均溫度分布（左）與航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的氣動(dòng)熱場(chǎng)（右）
氫是碳中和解決方案的重要組成部分。
航空航天、能源和汽車等主要行業(yè)之間存在協(xié)同效應(yīng)，以建立可持續(xù)的氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。從儲(chǔ)能到清潔能源生產(chǎn)與動(dòng)力系統(tǒng)，氫為可持續(xù)發(fā)展提供了許多途徑，同時(shí)還完善了其他解決方案，例如電池。
盡管氫具有成為“黃金”燃料或能源載體的潛力，但在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒氫會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)，包括回火、聲學(xué)不穩(wěn)定性、自燃以及燃燒器內(nèi)的火焰保持等問(wèn)題。不過(guò)，工程師可以通過(guò)仿真來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
燃?xì)廨啓C(jī)：仿真節(jié)省時(shí)間和成本
鉆機(jī)測(cè)試確實(shí)提供了有助于應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的寶貴信息，但該測(cè)試不僅成本高昂而且非常耗時(shí)，如果使用100%氫氣，就可能意味著損耗鉆機(jī)的關(guān)鍵組件和儀器。另一方面，數(shù)字仿真則可以更深入地探索燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的許多復(fù)雜現(xiàn)象。例如，Ansys Fluent支持通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)預(yù)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的復(fù)雜氣動(dòng)熱場(chǎng)。
準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜現(xiàn)象和排放，需要高保真度且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的尺度求解湍流模型、燃燒模型和快速瞬態(tài)數(shù)值方案。在一個(gè)實(shí)例中，應(yīng)力混合渦流仿真(SBES)湍流模型與Ansys的Mosaic網(wǎng)格劃分技術(shù)結(jié)合使用，可以求解高度不穩(wěn)定的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。歐拉-拉格朗日框架中的離散相建?？捎糜趯?duì)燃料噴霧進(jìn)行建模，同時(shí)考慮二次破碎。燃燒采用小火焰單元生成歧管(FGM)模型進(jìn)行建模，該模型通過(guò)混合分?jǐn)?shù)與反應(yīng)進(jìn)程表示熱化學(xué)過(guò)程。此建模策略(SBES–FGM)已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)以及陸上燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的火焰行為與排放。
具有可選擴(kuò)展功能的建模技術(shù)已被證明適用于氫混合燃料或純氫燃料。這種擴(kuò)展包括對(duì)反應(yīng)過(guò)程變量的定義修改，以及在某些情況下，考慮差異性擴(kuò)散（不同物質(zhì)的不同質(zhì)量和熱擴(kuò)散率）。下圖展示了這種氫燃燒建?？蚣茉贑abra案例中的成功應(yīng)用，這是燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)混合系統(tǒng)中火焰保持的代表性配置。
Cabra的案例（左），相關(guān)區(qū)域中的Ansys Poly-Hexcore網(wǎng)格（右）
Cabra案例中的氫燃料噴氣機(jī)，被2,200種稀薄預(yù)混合氫/空氣火焰燃燒產(chǎn)物的同軸共流所包圍。使用Fluent中基于壓力的求解器進(jìn)行大渦仿真(LES)，并使用動(dòng)態(tài)Smagorinky Lilly公式對(duì)子網(wǎng)格尺度進(jìn)行建模。使用FGM對(duì)燃燒進(jìn)行建模，進(jìn)度變量源項(xiàng)采用有限速率閉合，進(jìn)度變量(PV)和混合分?jǐn)?shù)(Z)方差采用代數(shù)公式。
LES-FGM仿真還預(yù)測(cè)了混合分?jǐn)?shù)、溫度和物質(zhì)的分布，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。仿真還準(zhǔn)確再現(xiàn)了火焰前緣的厚度。前緣火焰的預(yù)測(cè)，對(duì)于影響下游混合的全火焰預(yù)測(cè)而言至關(guān)重要。使用擴(kuò)散小火焰單元方法可以更準(zhǔn)確地再現(xiàn)火焰錨定，最終與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。
航空工業(yè)可以利用氫實(shí)現(xiàn)凈零排放
《巴黎氣候協(xié)定》和航空業(yè)界到2050年大幅降低排放的承諾，也在推動(dòng)氫燃燒的研究和開(kāi)發(fā)。由航空業(yè)提出的一項(xiàng)凈零碳排放路線圖表明，只有氫等可持續(xù)性燃料才能為2050年凈零排放目標(biāo)提供現(xiàn)實(shí)的途徑。值得注意的是，電氣化將繼續(xù)幫助減少碳排放，特別是短途航班，但根據(jù)航空運(yùn)輸行動(dòng)小組(Air Transport Action Group)的數(shù)據(jù)，航空領(lǐng)域90%以上的排放是由中遠(yuǎn)程航班產(chǎn)生的。
其他領(lǐng)域也可以進(jìn)行類似的研究，在這些領(lǐng)域，氫基解決方案必須與其他重要技術(shù)（例如能效、電池和碳捕捉）一起發(fā)揮關(guān)鍵作用，才能實(shí)現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)。
前液化空氣集團(tuán)(Air Liquide)研發(fā)項(xiàng)目總監(jiān)、現(xiàn)任氫經(jīng)濟(jì)高級(jí)顧問(wèn)Claude Heller表示：“得益于可再生能源成本的大幅下降，電力碳含量的降低和許多經(jīng)濟(jì)活動(dòng)（例如交通運(yùn)輸或工業(yè)）的電氣化，是到2050年實(shí)現(xiàn)全球氣溫升高不超過(guò)1.5℃目標(biāo)路線圖的關(guān)鍵組成部分。在所謂的難以減排的行業(yè)（例如煉鋼或航空業(yè)）中，可以通過(guò)水電解產(chǎn)生的氫氣與低碳動(dòng)力（例如可再生能源或核能），實(shí)現(xiàn)間接電氣化。”
跨行業(yè)普及氫能的三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)
1. 成本
綠色產(chǎn)氫（使用可再生能源產(chǎn)氫）的成本，約為每千克5美元，與天然氣或煤油等重碳燃料相比，其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力明顯不足。高昂的成本與基礎(chǔ)設(shè)施投資和需求不足有關(guān)，得益于世界各國(guó)政府推出相關(guān)法規(guī)并采取積極行動(dòng)，基礎(chǔ)設(shè)施投資和需求現(xiàn)已得到提振。
對(duì)綠色產(chǎn)氫的投資現(xiàn)在每年超過(guò)了10億美元。全球最大的投資來(lái)自歐盟，在本年代初期，歐盟投資占全球氫基項(xiàng)目投資的一半以上。美國(guó)能源部(DOE)于2021年6月啟動(dòng)了“能源攻關(guān)計(jì)劃”(Energy Earthshots Initiative)，以加速能源轉(zhuǎn)型。首個(gè)能源攻關(guān)計(jì)劃名為“氫能攻關(guān)”(Hydrogen Shot)，目標(biāo)是到本年代末將綠色產(chǎn)氫的成本降低至每千克1美元。
2. 基礎(chǔ)設(shè)施
隨著大量投資聚焦于氫生態(tài)系統(tǒng)，與氫相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)再次成為關(guān)注焦點(diǎn)。然而，從氫生產(chǎn)到儲(chǔ)存和運(yùn)輸，再到最終使用，各階段仍然面臨著重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。所有階段的主要挑戰(zhàn)之一是，相關(guān)設(shè)備的能效。目前，燃料電池的效率在40%-60%之間，而電解槽的平均效率為60%。顯著提高效率是可行的，但在傳統(tǒng)的構(gòu)建-測(cè)試-改進(jìn)設(shè)計(jì)環(huán)境中非常耗時(shí)。
例如，氫因其高能量密度和稀燃能力，在航空和發(fā)電領(lǐng)域脫碳方面顯示出巨大的前景，最終被應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒氫氣會(huì)帶來(lái)一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括回火、聲學(xué)不穩(wěn)定性、自燃以及燃燒室內(nèi)的火焰保持等問(wèn)題。
由于氫的分子量和密度較低，在緊湊的空間中儲(chǔ)存氫也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。它需要被高度壓縮或以低溫/液體形式儲(chǔ)存。儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)，無(wú)論是用于空中飛行的飛機(jī)上，還是放置在地面燃料電池汽車的后部，都需要特別考慮脆化、泄漏及相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。
3. 規(guī)模
最后，還有最終應(yīng)用時(shí)氫設(shè)備尺寸方面的挑戰(zhàn)。目前燃料電池的系統(tǒng)尺寸和重量都很大，特別是對(duì)于航空航天和汽車應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)運(yùn)輸應(yīng)用，耐久性和可靠性都需要提高。此外，當(dāng)試圖保持換熱器和整個(gè)系統(tǒng)的尺寸較小時(shí)，熱、水和空氣管理也是一大難題。
前液化空氣集團(tuán)研發(fā)項(xiàng)目總監(jiān)、現(xiàn)任氫經(jīng)濟(jì)高級(jí)顧問(wèn)Claude Heller稱：“當(dāng)前的氫技術(shù)（例如電解或燃料電池）已經(jīng)足夠成熟，可以大規(guī)模地利用氫經(jīng)濟(jì)來(lái)降低成本。同時(shí)，仍然需要改進(jìn)流程，以降低尺寸效應(yīng)之外的成本。為此，更好地了解并進(jìn)行分子尺度上電化學(xué)反應(yīng)和系統(tǒng)級(jí)（例如電池或電池組）流程的建模至關(guān)重要。”
航空領(lǐng)域?qū)袅闩欧诺某兄Z（來(lái)源：IATA）
仿真技術(shù)推動(dòng)氫應(yīng)用
Ansys技術(shù)正在通過(guò)提高氫生態(tài)系統(tǒng)各階段的性能，以及加速新技術(shù)開(kāi)發(fā)以解決成本和規(guī)模難題，助力企業(yè)克服與氫相關(guān)的挑戰(zhàn)。例如，ENHIGMA是一個(gè)涉及不同企業(yè)以及技術(shù)和研究中心的國(guó)家項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用Ansys技術(shù)制造低成本、節(jié)能且耐用的質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽和燃料電池。如圖(右)所示，西班牙國(guó)家氫能中心(CNH2)研究人員利用Ansys Fluent中的流動(dòng)仿真優(yōu)化了PEM電池組。
一種用于產(chǎn)氫的質(zhì)子交換膜(PEM) 水電解堆(左)，通過(guò)Ansys仿真優(yōu)化電池設(shè)計(jì)(右)
Ansys仿真技術(shù)被廣泛用于單個(gè)電池設(shè)計(jì)、低成本且輕量化材料的選擇、電池組的能效優(yōu)化，以及整個(gè)燃料電池與電解系統(tǒng)的熱管理。
低溫儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫生態(tài)系統(tǒng)的核心。Ansys復(fù)合材料解決方案可用于設(shè)計(jì)低溫容器，同時(shí)高度模仿其制造流程。Ansys Mechanical中的復(fù)合材料失效工具，可幫助設(shè)計(jì)人員使用高級(jí)復(fù)合材料失效準(zhǔn)則（例如Tsai-Wu、Puck和LaRC）深入評(píng)估潛在的失效模式與失效位置。此工具可進(jìn)一步用于了解脆化以及裂紋形成與擴(kuò)展的影響。
典型的產(chǎn)氫系統(tǒng)或氫基燃料電池裝置包含許多組件。其中大部分可以通過(guò)簡(jiǎn)化模型來(lái)表示，但多數(shù)關(guān)鍵部件（例如燃料電池或PEM電池組），則可以用Ansys 3D物理求解器導(dǎo)出的ROM來(lái)表示。Ansys optiSLang能夠?yàn)閿?shù)字孿生創(chuàng)建ROM，該軟件可實(shí)現(xiàn)仿真工具鏈自動(dòng)化，并連接到魯棒性設(shè)計(jì)優(yōu)化(RDO)算法。通過(guò)連接實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可以監(jiān)控并優(yōu)化操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。
大渦流仿真捕獲的氫火焰 （混合分?jǐn)?shù)）細(xì)節(jié)
仿真通過(guò)讓工程師能夠更快、更低成本地探索更多氫設(shè)計(jì)選項(xiàng)，將有助于行業(yè)應(yīng)對(duì)與氫能不斷普及相關(guān)的重大挑戰(zhàn)。在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)并測(cè)試氫相關(guān)技術(shù)，可以加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，這對(duì)于政府和行業(yè)競(jìng)相實(shí)現(xiàn)2050年凈零碳排放的目標(biāo)至關(guān)重要。
（文章來(lái)源公眾號(hào)：Ansys）
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