摘要
随着全球工业化的快速发展，对传统化石能源进行了大量的开采和使用，造成能源危机和一系列环境问题，开发利用新的可再生、清洁能源已成为人类亟待解决的问题。在众多新能源中，因氢能燃烧后生成物是水对环境无污染，且在自然界中储量丰富，近年来受到世界各国广泛关注。氢能的储存是其能否被大规模商用的关键，金属氢化物储氢因其储氢量大、安全度高成为一种重要的储氢方式，国内外众多学者对其进行了研究。但目前金属氢化物储氢还存在着质量储氢密度低、储氢反应床吸放氢速率慢等问题，因此，本文根据项目需要，首先对双层薄壁式储氢反应床在吸氢过程中热质传递情况进行流体动力学分析，研究储氢层温度和吸氢量的变化规律，然后利用遗传算法对储氢床进行结构优化，提高储氢床的吸氢性能。主要工作如下： 1.对金属氢化物储氢基本原理进行研究，储氢过程可分为物理吸附、扩散、形核和长大过程，通过合金P-C-T曲线也能很好解释这一过程。推导了ZrCo合金的吸氢动力学方程，为能量源项的确定提供理论依据。对储氢反应床进行CFD（计算流体力学）分析，根据质量守恒、动量守恒、能量守恒方程、吸氢速率方程和对流换热方程建立储氢床吸氢数值模型，利用UDF定义吸氢反应的热量源项，以编译的方式进行加载，最后用Fluent软件对模型进行求解，为了验证数值模型的有效性，利用Kang等人的实验数据与本文的模拟结果进行对比。 2.基于已建立的吸氢数值模型，开展双层薄壁式储氢床结构参数与吸氢操作参数的影响研究。在床体结构参数方面，考虑了冷却管半径、传热翅片厚度和储氢层厚度对金属氢化物床传热传质性能的影响。而在吸氢操作参数方面，研究供氢压力、冷却流体温度和传热翅片材料对储氢反应床传热传质性能的影响。通过对不同影响因素的研究，能更进一步探索储氢床在吸氢过程中热质传递规律，为后续的反应床结构优化提供参考。 3.构建储氢反应床近似模型，利用最优拉丁超立方在设计变量（冷却管半径、传热翅片厚度和储氢层厚度）构成的空间内采集一定数量的样本点，将得到的样本点运用二阶响应面方法进行拟合，获得储氢层温度与冷却管半径、传热翅片厚度、储氢层厚度之间的函数表达式，将其作为适应度函数。根据优化模型编写遗传算法C程序，并使用自适应交叉、变异算子等方法，提高算法优化性能。最后，将反应床优化前后的温度和吸氢量进行对比分析，从而证明优化后储氢性能的提升效果。
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