氮氧在液氢中的相变过程及其分子行为特性研究

Hydrogen, as a secondary energy, is also called future energy for human because it can simultaneously meet the requirements of resources, environment and sustainable development. Liquid hydrogen is an important storage and transport form. As air can’t be avoided to go to into the hydrogen, solid air (solid oxide) accumulation in liquid hydrogen can bring the risks on safety..The project’s target is to find the real solidification form of air in liquid hydrogen and provide a theoretical basis for the safe use of liquid hydrogen. In theory, Boltzmann method will be used to create phase transition model of nitrogen and oxygen in liquid hydrogen. This model will be used to study the depositions of air in liquid hydrogen and find the real ingredients of depositions of solid air (especially oxygen-rich air). On experiment, the mixtures with different nitrogen and oxygen will be input into the liquid hydrogen which is stored in a transparent crystal dewar. After all components are stable in the dewar, the mixtures of liquid hydrogen and solid air will be warmed up with fine temperature control. The escaped gas will be sampled on line to analyze the ingredients by gas chromatograph under different temperatures. The results will be used to find the ingredients of solid air in liquid hydrogen. The experimental result will testify the theory.

氢作为一种二次能源，满足资源、环境和可持续发展的要求，所以被称作人类的未来能源。液氢是氢能非常重要的贮存、运输和应用形式。由于液氢系统中不可避免地会进入空气，固空（固氧）在液氢中的积累形式对液氢系统造成安全隐患。本项目通过理论分析结合实验验证方法开展固空在液氢中沉积模式问题的研究，为探索液氢安全使用准则提供理论基础。项目实施，理论上采用Boltzmann方法，建立液氢中氮氧的相变模型，研究氮氧在液氢中的沉积形式，得出固空（特别是富氧固空）沉积过程中究竟形成了怎样比例和形式的氧、氮晶体混合物。实验上通过液氢系统中进行掺杂-精确复温-气相色谱分析方法开展液氢系统中氮氧逸出规律研究，并由此推断液氢系统中氮氧颗粒的积聚形态，与理论分析结果相互验证。

在液氢加注及气氢置换等过程中，系统不可避免会有空气的渗入。由于液氢温度较低，空气将转变为以固空形式存在。当固空的氧比例大于空气中氧比例时，液氢/固空系统将存在爆炸的风险。若固空以富氧形式存在，将进一步增大系统的风险性。因此模拟固空形貌和氮氧分布对于固空中氧安全阈值的确定，减小液氢系统风险，具有重要的指导意义。对于固空晶体凝固，采用元胞自动机(CA)和格子Boltzmann(LBM)相结合的方法，首先对原CA模型中溶质分配规律进行修正，并结合氮氧凝固相图，建立适用于固空凝固的模型。而后耦合流场，研究了固空晶体在一定冷却速率下生长过程及氮氧分布情况，并探讨了不同冷却速率、初始氧浓度、流场强度以及多晶粒共同生长的影响。考虑到枝晶形状对流场有较大的影响，通过改进LBM-CA模型，克服网格各向异性的影响，模拟六重对称生长的固空枝晶在流场中的凝结过程。结果表明，固空生长速率和晶体外围氧浓度均随冷却速率增大而增大，氧峰值浓度也随初始氧浓度近似线性增长。凝固场中存在自然对流和强迫对流时，固空晶体均呈现出非对称性生长。强迫对流时，迎流侧生长迅速，而背流侧生长受到抑制。对于氮氧浓度分布上，上游的氧在流场作用下转移至流场下游，并在此富集，因而迎流侧氧浓度梯度比背流侧大得多。氧峰值浓度也大于无流场存在情况。自然对流时，固空呈现上侧生长慢，下侧生长快。初始氧浓度的增加会增强生长非对称性。当自然对流强度增大时，凝固场氧峰值浓度和凝固速率都随之增加。多晶粒生长时，自然对流所对应的平均流速和氧峰值浓度均小于强迫对流，但凝固速率却略高于强迫对流。