目前產(chǎn)業(yè)總體上對燃料電池汽車設(shè)計及應(yīng)用中的安全性要求欠缺，為了進一步提升燃料電池汽車的安全性，江蘇大學(xué)燃料電池發(fā)動機研究所尹必峰教授團隊使用Cradle CFD對車載儲供氫系統(tǒng)進行了氫氣泄漏與擴散研究，本項目不僅為燃料電池車通風結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計提供參考依據(jù)，并為快速排出氫氣提供保障，有效增強了燃料電池汽車安全性能，對于保障生命和財產(chǎn)安全具有重要意義。

針對燃料電池車，研究車載儲供氫系統(tǒng)氫氣泄漏與擴散機理和特性，通過CFD數(shù)值仿真對儲氫艙內(nèi)的流場、氫氣摩爾分數(shù)、壓強等進行分析，從而為氫氣傳感器的布置提供理論依據(jù)，幫助駕駛?cè)藛T和ECU在短時間內(nèi)對供氫系統(tǒng)進行切斷，避免更多的氫氣泄漏。同時建立一套在多樣化場景和高效工況下均能工作的漏氣檢測與定位系統(tǒng)，以提高氣體泄漏事故的防御水平，確保公共安全和環(huán)境保護。

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設(shè)計挑戰(zhàn)  

01. 性能與安全

（1）提高燃料電池車氫氣泄漏通風結(jié)構(gòu)的設(shè)計；

（2）提高強制通風下旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；

（3）保證燃料電池車內(nèi)氫氣摩爾分數(shù)處于安全值（小于4%）；

（4）部件的耐久性/疲勞（供氫管道、氫氣瓶等）。

02. 精確性與優(yōu)化

（1）傳感器的布置與位置優(yōu)化；

（2）旋轉(zhuǎn)機械噪聲優(yōu)化；

（3）傳感器響應(yīng)時間優(yōu)化與算法優(yōu)化。

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Cradle CFD

01. 優(yōu)化通風結(jié)構(gòu)

當發(fā)生意外情況導(dǎo)致氫氣泄漏后，需要研究自然通風下通風結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計對于排氫的影響，分析高壓氫氣泄漏與擴散的規(guī)律?？紤]外流場以及內(nèi)流場對于氫氣泄漏的影響，以及設(shè)計通風柵格形狀對于排氫性能的影響。

02. 優(yōu)化排氫風扇

研究強制通風下排氫風扇的位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使儲氫艙內(nèi)部的氫氣快速下降，控制在可燃極限4%氫氣摩爾分數(shù)以下，防止氫氣泄漏帶來的危害。

通過Smartblade插件對葉片的結(jié)構(gòu)進行修改，在Cradle scflow中對排氫風扇進行不連續(xù)網(wǎng)格設(shè)置，最后求解并在后處理中得到氫氣泄漏的相關(guān)云圖和數(shù)據(jù)。此外還可以使用Odyssee軟件的算法對于風扇參數(shù)進行優(yōu)化與驗證。

03.泄漏點判定以及傳感器布置

滿足多場景多工況下的氣體泄漏的高效精確檢測與定位需求。研究燃料電池車不同環(huán)境條件下（封閉、半封閉或開放空間）的漏氫場景，提出可靠的檢測與定位方法，以確保對氫氣泄漏的及時響應(yīng)與準確定位。借助多傳感器融合技術(shù)，致力于從不同傳感器的數(shù)據(jù)進行綜合分析，以提高漏氣檢測的準確性和可靠性，更全面地了解氫氣的泄漏和擴散情況。采用先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和模型優(yōu)化算法，以提高對氫氣泄漏的準確性。機器學(xué)習和深度學(xué)習等優(yōu)化算法將被運用于識別氫氣泄漏，實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境中微弱信號的敏感采集，并通過混淆矩陣得出預(yù)測的效果。同時開發(fā)實時漏氫定位系統(tǒng)，包括利用傳感器網(wǎng)絡(luò)和定位算法，快速準確地定位漏氣源，并提供實時報警信息，有助于迅速采取必要的安全措施。

04. 選擇Cradle CFD仿真的理由

首先Cradle CFD的scflow前處理非常強大，基于CAD模型，無需模型修復(fù)，直接基于voxelfit網(wǎng)格劃分，同時局部體加密設(shè)置非常靈活，易于操作；

其次Cradle CFD有專門設(shè)計優(yōu)化風扇的Smartblade模塊，Smartblade模塊可以自動全參數(shù)化生成風扇外形，自動計算，風扇自動化設(shè)計工具，生成模型→流場分析→修改模型→結(jié)果后處理一系列操作可實現(xiàn)自動化，能夠大大縮小CFD驗證以及后續(xù)優(yōu)化。并且scflow與Odyssee機器學(xué)習模塊具有良好的兼容，還具備后處理機器學(xué)習嵌入版，可以實時預(yù)測不同變量下的計算結(jié)果，對于仿真優(yōu)化提供強大數(shù)據(jù)支撐。

最后Cradle CFD具有強大的后處理模塊，對于仿真結(jié)果可視化，內(nèi)部流場，組分濃度，可生動形象的展示出來。

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Cradle CFD

后續(xù)可以使用Cradle CFD繼續(xù)進行以下研究

(1) 優(yōu)化氫氣存儲和輸送系統(tǒng)

通過CradleCFD軟件幫助優(yōu)化氫氣存儲和輸送系統(tǒng)的設(shè)計，減少泄漏風險并提高系統(tǒng)效率。通過模擬分析不同管道、儲罐、閥門等組件的氣流動態(tài)，可以優(yōu)化系統(tǒng)的布局和操作方式，降低泄漏的可能性。

(2) 氫氣擴散導(dǎo)致的爆炸現(xiàn)象和風險評估

模擬氫氣在空間中的擴散行為，以評估泄漏對周圍環(huán)境和人員的影響。通過模擬可以復(fù)現(xiàn)氫氣泄漏產(chǎn)生超壓爆炸的場景，為安全管理和應(yīng)急響應(yīng)提供參考。

(3) 高壓氫氣泄漏與擴散

模擬和優(yōu)化新型高壓氫氣存儲技術(shù)的設(shè)計，如高壓氫氣儲罐（35MPa及70MPa）、高壓氫氣管道等。通過模擬分析不同設(shè)計方案的氣流動態(tài)和泄漏風險，可以指導(dǎo)新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

(4) 液氫的泄漏與擴散

希望CradleCFD在材料中加入液氫，并且加入液氫閃蒸模型，實現(xiàn)液氫的泄漏與擴散。也希望CradleCFD能設(shè)置連續(xù)體以便模擬液氫流動、傳熱、傳質(zhì)等現(xiàn)象。

*改變數(shù)模后前處理要重新設(shè)置參數(shù)，很多案例參數(shù)只需要微改，希望CradleCFD設(shè)置一種前處理參數(shù)保留功能，提高效率節(jié)省時間。

關(guān)于江蘇大學(xué)燃料電池發(fā)動機研究所

江蘇大學(xué)燃料電池發(fā)動機研究所于2019年9月成立，充分利用整合資源，形成了具有基礎(chǔ)研究、高技術(shù)創(chuàng)新、人才和權(quán)威評價功能的研究機構(gòu)。以車規(guī)級燃料電池發(fā)動機為目標，通過高性能長壽命新型關(guān)鍵材料研發(fā)、關(guān)鍵部件技術(shù)攻關(guān)、智能化集成技術(shù)創(chuàng)新研究，突破發(fā)展瓶頸，大力研發(fā)并獲得有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池發(fā)動機整機及核心零部件技術(shù)，使研究所成為研究成果向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的有效渠道，起到產(chǎn)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新能力的重要源頭和強力支撐平臺的作用，促使我省在相關(guān)領(lǐng)域獲得技術(shù)領(lǐng)先地位，形成國內(nèi)新能源動力系統(tǒng)研發(fā)群體和相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)基地。

研究所現(xiàn)為中國內(nèi)燃機學(xué)會燃料電池發(fā)動機分委會理事單位，專職研究人員包括教授5人，副教授5人，外籍講座教授2人，江蘇省產(chǎn)業(yè)教授1人，全日制在讀博碩士研究生30余人，為我省在先進新能源汽車領(lǐng)域重要的研發(fā)力量，承擔和參與國家、各部委和地方縱向研究項目，同時與省內(nèi)各科研機構(gòu)、大專院校、企業(yè)單位開展廣泛的合作。