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Simulaciones CFD de llenado de tanques de hidrógeno: Sensibilidad al modelo de turbulencia y a la resolución de la malla

Autores: Xie, Hanguang; Makarov, Dmitriy; Kashkarov, Sergii; Molkov, Vladimir

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2023

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Acceso abierto

Artículo científico
2023

Simulaciones CFD de llenado de tanques de hidrógeno: Sensibilidad al modelo de turbulencia y a la resolución de la malla


Categoría

Energía

Subcategoría

Energías renovables

Palabras clave

Modelado CFD
Abastecimiento de hidrógeno comprimido
Modelos de turbulencia
RANS
Modelos híbridos
LES

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 1

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
La modelización CFD del abastecimiento de hidrógeno comprimido proporciona información sobre la dinámica de temperatura del hidrógeno y la estructura del tanque necesarias para el diseño del tanque de almacenamiento a bordo y el desarrollo del protocolo de abastecimiento. Este estudio compara cinco modelos de turbulencia para desarrollar una estrategia para simulaciones CFD rentables del abastecimiento de hidrógeno, manteniendo una precisión de simulación aceptable para el análisis de ingeniería: modelos RANS k- y RSM; modelos híbridos SAS y DES; y modelo LES. Las simulaciones fueron validadas contra el experimento de abastecimiento de un tanque Tipo IV de 29 L disponible en la literatura. Para RANS con funciones de pared y modelos combinados con tratamiento cerca de la pared, las temperaturas promedio simuladas de hidrógeno se desviaron del experimento en un 1-3% con CFL ~ 1-3 y distancia adimensional de pared y+ ~ 50-500 en el tanque. Para proporcionar una precisión de simulación similar, el enfoque de modelización LES con tratamiento cerca de la pared requiere una malla con distancia de pared y+ ~ 2-10 y demuestra el campo de flujo mejor resuelto con mayores gradientes de velocidad y temperatura. Sin embargo, la simulación LES en esta malla implica un tiempo de CPU aproximadamente 60 veces mayor en comparación con el enfoque de modelización RANS y 9 veces mayor en comparación con los modelos híbridos debido al límite de paso de tiempo impuesto por los criterios CFL ~ 1.0. En todos los casos, las historias de presión simuladas y las tasas de flujo másico de entrada tienen una diferencia dentro del 1%, mientras que los flujos de calor promedio y la temperatura máxima de hidrógeno muestran una diferencia dentro del 10%. En comparación con LES, el modelo k- tiende a subestimar y DES tiende a sobreestimar el gradiente de temperatura dentro del tanque. Los resultados de RSM y SAS son cercanos a los de LES, aunque con simulaciones 8-9 veces más rápidas.

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