建立液態氫的流體儲存、填充和運輸模型，以邁向更永續的未來

如今全球都致力於追求更環保的能源、更環保的經濟和脫碳，因此氫和天然氣受到了極大的關注。氫是我們宇宙中最豐富的元素之一，且幾乎不會產生污染。這使其成為化石燃料替代方案的絕佳選擇，並有助於運輸和航運等高排放產業脫碳。在工程師和企業評估如何將氫燃料融入其設計中的同時，如何在液化低溫狀態下處理這些氣體也成為新興的關注焦點。

然而，低溫流體現場作業 (例如儲存槽填充、排洩和運輸) 涉及複雜的相變物理。對於這些多相問題，要普遍使用模擬向來是個挑戰。

讓我們來看看使用系統層級熱模擬工具 Ansys Thermal Desktop 熱中心建模軟體，來建立低溫流體現場作業模型的高效模擬工作流程，包括儲存槽填充、液態氫 (LH2) 排洩、液化天然氣 (LNG) 的軌道車運輸，以及使用 LH2 和液態氮 (LN2) 的管道淬火作業。

此工作流程適用於任何低溫流體，例如液態氧 (LOX) 和各種冷凍劑，如 R410a、R-32 和 R-454B 等。

低溫流體儲存和運輸的工程挑戰

低溫環境的高壓和低溫條件，對儲存設備以及測量和監控儀器來說，構成重大的工程挑戰。建置和測試方法成本高昂且耗時，導致工程師越來越傾向於運用模擬來加速儲存槽的設計工作和最佳化現場作業，例如填充、排洩、運輸和保存低溫流體。

工程設計目標通常包括：

• 將汽化損耗降至最低。除了保持結構完整性之外，儲存槽/罐和散裝運輸容器還需要良好的絕緣性，以將汽化損耗降至最低。
• 將低溫淬火流體損耗降至最低。在適當的絕緣處理下，儲存槽之間的注入/排放管道需經充分淬火，但不能過度加工，以避免過度浪費低溫流體。
• 最大化填充質量。儲存槽在填充前必須先冷卻和加壓。儲存槽的這種初始狀態會影響可在不超過結構安全限制的情況下填充的低溫流體質量。

使用 3D CFD 模擬的當前挑戰

使用高精度傳真 3D 計算流體力學 (CFD) 模擬低溫流體相變通常需要長時間的暫態模擬，這在早期系統設計中是不切實際的做法。舉例而言，如果要模擬 LH2 或 LNG 在軌道車容器上的填充或排洩作業，可能輕易需要數百個 CPU 核心和長達數天甚至數週的計算。從計算來看，要模擬持續數天的作業更耗時，例如長距離運輸，或大型工業級地面儲存結構的保存/填充/排洩作業。

顯然對於這些低溫應用而言，「求解時間」可能會成為嚴重的障礙，特別是在步調快速的初始設計探索階段。為了滿足快速反應的需求，我們需要快速求解，指出正確的行為趨勢，並掌握輸入和輸出結果的全貌。

高效的模擬工作流程會同時利用兩個領域的優勢：快速的系統層級模擬以最佳化整體設計，然後是詳細的 CFD 解決方案，以進一步最佳化元件，並在需要時捕捉具備 3D 細節的物理資料。

混合精度系統層級模擬解決方案

在 Ansys 的解決方案系列產品中，Thermal Desktop 軟體以其獨特的混合精度系統層級建模功能脫穎而出。它將 0D 和 1D 熱流體網路與 1D、2D 和 3D 固態熱傳導和輻射相結合。數十年來，此工具在航太產業中廣為人知且廣泛使用。

Thermal Desktop 軟體具備多種流體屬性，並擁有 NIST REFPROF 資料庫作為標準配備，此資料庫對於低溫應用特別有用。

CFD 模擬中最耗時、最需密集運算的面向，是高度非線性 3D CFD 方程式的求解作業。在 Thermal Desktop 軟體中，這些 3D CFD 方程式被近乎即時的 0D 或 1D 流體網路解決方案所取代，這些解決方案適用於「定義明確」的流動，例如管道網路，以及在不需要流動 3D 細節的情況下因應熱傳遞。

Thermal Desktop 軟體使用有豐富佐證的經驗相關性，以及使用者提供的資料，來提高準確度。對於低溫應用，只捕捉低溫流體的總體熱力學效應，以與固態熱傳導相互作用。由於後者由線性方程式控制，因此整個流體與固體熱系統的求解可以用很經濟的方式完成。

是的，速度很快。事實上，與 CFD 解決方案相比，即使在相變的情況下，速度也快上許多。雖然求解的速度大幅提高，但系統層級解決方案的缺點在於缺乏流體的空間解析度。我們不會像 CFD 模擬的自然結果一樣看到流動循環、流動向量、波浪，或液態氣體自由表面的飛濺。只有容積量的時間變異 (質量、氣液分率、溫度、壓力等) 才會求解並呈現。

LNG 軌道車運輸範例

為了說明起見，我們來看看幾個典型的低溫流體儲存槽填充/排洩範例，以及裝了擋板的 LNG 軌道車歷經 20 小時的運輸旅程，穿越各種彎道，然後是保存四小時。這些是具有合理輸入條件和標稱材料特性的通用模型，以示範其功能。

如果您仔細觀察，由於我們正在求解總體溫度，因此流體中沒有像 CFD 模擬中典型線圖一樣的溫度變化。此外，自由表面是平坦的，因為它只是總體氣液分率的圖形表示。這可確保極快的求解時間。

在軌道車運輸範例中，當列車軌道彎曲時，平坦的自由表面會因加速而傾斜。此時不會捕捉自由表面的波浪或潑濺，但會捕捉總體加速。同樣地，系統層級模擬的目標在於快速求解，以便在沒有流體細節的情況下捕捉正確行為趨勢。

我們喜歡快速求解，但我們要如何知道解決方案是否合理？來自現場資料的查核與平衡、已出版的論文、文獻、高傳真 CFD 模擬 (例如來自 Ansys Fluent 流體模擬軟體或 Ansys CFX CFD 軟體)，以及基於物理學的健全工程知識。

LH2 管道冷卻範例

接下來，我們來看看基於公開資料 NIST (NBS) Report 9264 的 LH2 管道冷卻範例。Thermal Desktop 軟體預測的溫度歷史紀錄顯示與測量結果相當一致。注意管道和求解時間的高長寬比 (約 4,000)。

上面顯示的一致是透過直接使用標稱屬性來填補 NIST 報告中的部分輸入資料不確定性差距 (請參閱下方的 LN2 範例) 來達成的。

對於現實生活中的複雜問題，我們可能無法如此幸運地從模擬中輕鬆獲得這麼貼近的結果。我們比較有可能獲得的是正確的趨勢預測。模擬結果的品質通常會受到因缺乏材料特性或正確的操作/邊界條件而造成輸入不確定性的影響。因此，能看到預測趨勢是好事，但如果我們真的希望預測更接近基準的話，該怎麼辦？

Thermal Desktop 軟體大量運用經驗相關性。例如，許多模型參數、熱能傳輸係數和材料特性都可以調整，以校準解決方案，更貼近現實情況。本產品具有內建最佳化器和自動校準例行程序，可將解決方案與現場資料、文獻或高傳真度模擬的目標之間的均方根 (RMS) 差異降至最低。

我們來看看解決方案校準的範例。在同一份 NIST 報告中，有相同配置下的 LN2 測試資料。儘管趨勢很好，但結果仍有改善空間。主要的不確定性在於銅特定熱能、摩擦 (壓降) 係數、熱能傳輸係數和供給壓力。透過調整這四個參數，溫度 RMS 誤差會從未校準的 43.8 克耳文 (K)，大幅降低到已校準的 12.8 K。您不應期望會完全一致，但這已經展現出良好的趨勢預測和更好的解決方案等目標。

為了避免過度的期望，我們必須重申，校準在合理範圍內有其用處，但效果也是有限的。良好的模擬需要良好的資料。此外，系統層級解決方案本身就缺乏詳細的物理資料。偏離品質測量和經過良好驗證的高精度 CFD 解決方案是可以預期的。

在解決自動校準路徑後，Thermal Desktop 軟體會報告並量化相對於四個微調參數的 RMS 誤差靈敏度。在探索資料稀疏的未知新應用時，可以使用此產品根據解決方案的靈敏度反應來找出重要的操作參數。這本身就有助於決定設計方向，並縮短研發時間。

此外，儘管可能並不明顯，但我們並非完全不需要詳細的 CFD 模擬。相反地，CFD 前所未有地更有其必要性。對於新設備和新製程設計而言，幾乎沒有資料或文獻可比較，更有可能是完全沒有。儘管這可能需要密集運算，但策略性地使用 CFD 進行檢查/校準和最終確定，再加上此處介紹的初始系統層級模擬，可提供經濟、具競爭力的工作流程。

將 Thermal Desktop 軟體與 Fluent 軟體相結合

簡而言之，以 Thermal Desktop 軟體的快速解決方案來輔助詳細 CFD 模擬的高效工作流程如下所示：

在更進階的情境中，也可以透過 Ansys 系統耦合物理求解器連線軟體，在 Thermal Desktop 軟體和 Fluent 軟體之間進行協同模擬，以即時交換熱邊界資訊。下圖顯示混合槽 (流體 A) 與加熱線圈 (流體 B) 的協同模擬。這種結合最為有利，尤其是當需要儲存槽中的流動細節以及線圈內的相變時。

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