[论文解读] Perforation Effect on a Rectangular Metal Hydride Tank for the Hydriding and Dehydriding Process by Using COMSOL Multiphysics Software

Evangelos I. Gkanas, Sofoklis S. Makridis+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Hydrogen Storage and Materials参考文献 14被引用 3

一句话总结

本研究采用 COMSOL Multiphysics 建立了一个穿孔矩形金属氢化物储罐的三维瞬态数值模型，用于模拟 LaNi5 粉末中的吸氢与放氢过程。该模型耦合了能量、质量与动量守恒方程，与实验数据高度吻合，表明穿孔结构可显著增强传热与传质，从而改善金属氢化物反应器中的反应动力学与热管理性能。

ABSTRACT

In this paper, a 3 Dimensional dynamic model of a perforated rectangular metal hydride tank is presented. The metal hydride tank consists of powder LaNi5 and the tubes are organized in the geometry of the rectangular in order to simulate the flux of the ambient air through the reactor, which affect hardly both the hydriding and the dehydriding reaction. A simulating study is made by solving simultaneously the energy, mass and momentum differential equations of conservation by using Comsol Multiphysics (version 4.2) software. The simulation results show great agreement with the experimental data.

研究动机与目标

• 研究穿孔几何结构对矩形金属氢化物储罐中传热与传质的影响。
• 在真实流场条件下，模拟基于 LaNi5 的反应器中动态吸氢与放氢过程。
• 利用耦合多物理场模型评估系统的热性能与动力学性能。
• 通过与实验数据对比验证仿真结果的准确性与可靠性。

提出的方法

• 采用 COMSOL Multiphysics v4.2 开发了三维瞬态模型，用于模拟填充 LaNi5 粉末的矩形储罐中吸氢与放氢过程。
• 该模型求解能量、质量与动量守恒的耦合方程，以表征穿孔结构中的传热、氢扩散与流体流动。
• 将穿孔结构建模为多孔介质，以模拟环境空气流动并增强对流换热。
• 几何结构设计旨在模拟实际反应器构型，管束按矩形排列，以促进空气流动与热调控。
• 边界条件基于实验运行参数设定，包括温度、压力与流速。
• 通过将预测的温度与氢浓度分布与实验测量结果对比，对仿真结果进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 穿孔的存在如何影响矩形金属氢化物储罐的热响应以及氢的吸收/脱附动力学？
• RQ2 通过穿孔的流体流动与对流换热在多大程度上提升了吸氢与放氢过程的效率？
• RQ3 该三维多物理场模型在预测温度演变与储氢容量方面，与实验行为的吻合程度如何？
• RQ4 穿孔结构的几何排列与孔隙率对系统性能有何影响？

主要发现

• 三维仿真模型与实验数据高度一致，验证了数值方法的准确性。
• 穿孔显著增强了对流换热，降低了吸氢与放氢循环过程中储罐内部的温度梯度。
• 改善的热量移除与分布使反应动力学加快，氢吸收与脱附速率更加均匀。
• 该模型成功捕捉了温度与氢浓度随时间演变的瞬态行为。
• 能量、质量与动量守恒方程的耦合使系统在不同运行条件下动态行为的预测更加真实可靠。
• 结果表明，穿孔矩形结构能有效提升金属氢化物反应器的热管理性能与整体性能。