火災(zāi)環(huán)境下車用CNG鋼瓶熱力響應(yīng)及失效機理研究.pdf

1、在汽車保有量高速增長、世界能源格局變化和環(huán)保要求日益提高的背景下,具有良好經(jīng)濟和環(huán)保效益的天然氣(CNG)汽車得到大力推廣和普及,CNG氣瓶使用量隨之增加,其中CNG鋼瓶占據(jù)CNG氣瓶比例的90％以上。CNG鋼瓶使用過程中出現(xiàn)的燃燒、爆炸事故往往引發(fā)災(zāi)難性后果。由于火災(zāi)試驗耗資大、危險性高、結(jié)果重復(fù)性差等原因,數(shù)值模擬研究受到越來越廣泛的重視。本文對火災(zāi)環(huán)境下車用CNG鋼瓶的熱及力學(xué)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬研究、失效機理分析、失效時間預(yù)測和提

2、出安全消防策略,具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義。本文主要內(nèi)容如下:
　　 (1)火災(zāi)環(huán)境下車用CNG鋼瓶的熱響應(yīng)數(shù)值模擬研究?；诜謪^(qū)求解、邊界耦合數(shù)值解法和流固耦合傳熱理論,按真實的火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ秃秃侠淼募僭O(shè),分別建立火災(zāi)環(huán)境和CNG鋼瓶的物理數(shù)學(xué)模型;然后利用大型流體動力學(xué)分析軟件FLUENT對無風(fēng)和有風(fēng)火災(zāi)環(huán)境進行三維數(shù)值模擬,計算得到火焰的流場、溫度場和鋼瓶外壁的熱流密度分布,證明無風(fēng)環(huán)境下能提供相對均勻和充足的熱量。無風(fēng)火

3、災(zāi)環(huán)境下得到的鋼瓶外壁的熱流密度分布作為鋼瓶模型的熱邊界;同樣運用FLUENT軟件對鋼瓶進行三維瞬態(tài)熱響應(yīng)過程進行數(shù)值模擬,計算得到在420秒內(nèi)瓶內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力及氣瓶壁溫度隨時間的變化規(guī)律。
　　 (2)火災(zāi)環(huán)境下車用CNG鋼瓶的力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬研究。根據(jù)順序熱-結(jié)構(gòu)耦合思想和彈塑性力學(xué)理論,運用ANSYS workbench13.0集成流體力學(xué)分析模塊FLUENT和熱-結(jié)構(gòu)靜力模塊ANSYS Mechanical,首先驗證了

4、有限元模型具有良好的計算精度,然后對處在不同溫度場和壓力場共同作用下的氣瓶壁進行有限元應(yīng)力分析,并進行強度校核,證明了鋼瓶在420秒前滿足強度要求。
　　 (3)火災(zāi)環(huán)境下車用CNG鋼瓶的失效機理初步研究、失效預(yù)測和預(yù)防。通過失效機理分析,提出了意外火災(zāi)環(huán)境下鋼瓶爆破失效時間點與爆破失效壓力的理論預(yù)測方法。首先對鋼瓶進行失效機理分析,提出失效準則,根據(jù)極限載荷有限元分析法得到不同溫度和性能條件下氣瓶爆破壓力的三次多項式擬合曲線,