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燃料电池汽车氢系统泄漏扩散分布特性
01 车载氢系统有限元基础
近年来，氢能源汽车领域取得了显著进展，核心燃料氢气以其高能量密度和清洁特性备受瞩目，然而其潜在的泄漏与扩散风险对车辆和人员安全构成了不容忽视的挑战。行业内一直将氢气泄漏事故的安全问题视为亟待解决的痛点。因此，深入研究车载氢系统中氢气的泄漏扩散特性，以及掌握其泄漏后的时空演变规律，对于提升氢能汽车的安全性、推动整个氢能行业的蓬勃发展具有举足轻重的意义。
计算流体力学（(Computational Fluid Dynamics, CFD）作为一门前沿科学，通过计算机模拟质量、动量和能量守恒的控制方程，精准预测液体和气体的流动状态。在车载氢系统气体泄漏研究中，CFD技术发挥着关键作用，它能够模拟和分析氢气泄漏后的扩散分布特性。该技术基于有限元分析原理，将复杂的几何模型转化为离散的数值模型，并通过求解离散方程，为我们提供详尽的分析结果。
车载氢系统离散化模型如图1所示，放大所得最小空间单元即为有限元。
02 CFD仿真过程
以上述车载氢系统为对象，建立气体泄漏扩散CFD模型，研究氢泄漏特性：
1）物理系统：取某车载氢系统为研究对象，即选取物理系统。
2）数学模型：获取对氢气泄漏及扩散过程影响较大的关键零部件尺寸等信息。
3）理想化模型：关注对氢泄漏扩散影响较大的几何部分，简化或删除细节。在瓶阀处开氢气泄漏口，所得理想化模型如图2所示。
图2 理想化模型
4）离散化模型：见图1，该模型划分网格数量为1,288,911个。
5）施加条件：边界条件为泄漏速率1g/s, 泄漏位置为图2所开瓶阀泄漏口处，泄漏时长280s, 泄漏方向竖直向下。
6）求解：选用k-ε方程，设置参数对该湍流模型求解，迭代过程收敛。
7）后处理：280s时刻，0-0.2mol/L浓度范围内的氢气分布云图如图3所示。
图3 氢气浓度分布云图（0-0.2mol/L）
03 CFD工程应用
使用CFD方法完成氢气泄漏扩散过程的分析，获取大量氢气浓度随时间变化的数据序列，可研究氢泄漏扩散机理：
1）探测器最优布置位置，基于优化算法，根据需求设置目标函数，布置探测器最优位置；
2）氢气泄漏快速预测，训练数据建立预测模型，在已知0-N时间段内的氢气浓度数据变化情况下，可预测第N+1时刻的氢气浓度数据及其扩散趋势，提前报警响应，提高安全性；
3）泄漏源反演定位，已知N时刻氢气浓度，可根据0-N时刻探测到的浓度数据，反演扩散过程，搜寻泄漏源位置。
特嗨氢能针对不同类型的车载氢系统，完成多种代表性工况下的CFD仿真模拟，较为深入研究氢泄漏时空演变规律及其扩散分布特性。在此基础上，使用优化算法提出探测器最优布置方案，一定程度上提高了氢能汽车的安全性。在CFD仿真数据的基础上，结合P-中值原理、卷积神经网络、粒子群算法等理论方法，可进行多方面应用。能够有效应对涉氢行业关注的安全性能痛点问题，使氢能装置的设计及使用趋于智能化，具有很大的发展前景。
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