质子交换膜燃料电池一维气液两相流模型研究

为研究质子交换膜燃料电池内水对电池输出性能的影响,搭建了一维燃料电池气液两相流模型,该模型考虑了氧气、氢气、水蒸气和液态水在气体流道、气体扩散层和催化层中的流动以及膜结合水在聚合物中的传输过程,同时考虑了电池内部水的相变。采用该模型分析了进气相对湿度对燃料电池输出性能的影响,结果表明:在小电流密度工况下,高相对湿度入口气体能够降低电池内阻提高输出电压;在进气相对湿度较高和大电流密度条件下,阳极比阴极更容易发生水淹。     

流道对ab-PBI膜高温燃料电池阴极传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的流道深度及其宽度对于提高其性能的影响.方法建立了一个二维、单相、稳态数学模型模拟研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气分布规律,分析流道深度及宽度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在高温质子交换膜燃料电池阴极中,氧气浓度沿着流道方向降低,而水分浓度则升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度升高,而水分浓度降低.在一定范围内增大流道深度,电池阴极催化剂层和扩散层内氧气浓度越大,水分浓度越小.在一定范围内增大流道宽度,电池阴极扩散层和催化剂层内氧气浓度越小,水分浓度越大.结论在一定范围内降低流道的深度和增大流道的宽度有利于氧气的传输与充分反应,可以提高高温质子交换膜燃料电池的性能.研究结果对高温质子交换膜燃料电池的流场结构参数的优化具有重要参考价值.     

燃料电池扩散层与流道中液态水传输数值模拟与协同优化

燃料电池流道或扩散层结构的优化是改善高电流密度下排水性能的重要措施,已有研究多集中于流道或扩散层的独立优化,缺少针对穿孔型扩散层与波浪形流道中水输运的协同优化。该文采用多松弛时间格子Boltzmann高密度比多相模型,模拟了高电流密度工况下燃料电池流道和扩散层孔隙尺度下水的输运过程,分析了扩散层中Re大小和波浪形流道角度、以及扩散层中开孔形状和位置对燃料电池水管理的影响。结果表明:对扩散层以及流道的形状进行协同优化可以更有效地提高燃料电池的排水速率;同时发现扩散层中水开始排出的时刻随着Re的增加而减小,而与波浪形流道角度、开孔形状以及位置无关。该文针对锥孔型扩散层和波浪形流道的优化对未来的燃料电池在高电流密度下的水管理优化设计具有指导意义。     

波形流道增强质子交换膜燃料电池性能

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能和耐久性受到燃料的输送和水管理等的限制,流道对PEMFC的质量传输起着至关重要的作用。该文设计了一个三维波形流道,建立了与实验条件一致的单根直流道模型,对比研究了直流道和波形流道对PEMFC性能提升的机理,分析了两种流道内氧气、液态水、速度以及电流密度分布。研究结果表明:在较高电流密度下,三维波形流道强化了狭窄通道部分氧气向催化层的传输,提高了氧气的供应,有效地去除了流道内的液态水,使峰值功率密度提高了10.16%。     

扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 性能影响研究

为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池的性能影响,采用计算流体动力学商业软件 ANSYS Fluent在不同扩散层孔隙率(0. 3、0. 5、0. 7)的条件下,对传统平行流场和斜坡平行流场的性能曲线、气体浓度分布、液态 水分布进行数值模拟分析;结果表明:在高电位下各案例对应的性能差异较小,在中低电位性能差异较大,随着扩散层孔隙率越大,质子交换膜燃料电池性能越好,且孔隙率在 0. 3~ 0. 5 时电流密度增长率最大,最大可达 9. 03%;当扩散层孔隙率较高时,有利于反应气体穿过扩散层,使得催化层氧气浓度增大,促进了燃料电池内部的电化学反应;随着扩散层孔隙的增大,能够更有效地促进反应气体的传输,流道内水含量越高,越有利于液态水的排出;相比传统平行流场,斜坡平行流场电池性能更好,氧气分布更均匀,流道中气体流速更大,排水效果更好,且孔隙率为0. 7 时电流密度增长率最大,最大可达 28. 79%。     

迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具有广泛的应用前景。为了提升流道构型对于质子交换膜燃料电池的综合性能,通过建立一种三维单相、等温的圆形交错迷宫式流道质子交换膜燃料电池模型,分析新型流道对质子交换膜燃料电池的输出性能、阴极氧和水浓度分布及阴极进气流速的影响。结果表明,圆形交错式流道相较于矩形交错式流道和蛇形流道电流密度提升25%和143%,也可以明显的改善流道内反应物和产物的分布和输运。阴极进气流速的增加可以提升电池的性能,但也会带来其他额外的损耗。可见,圆形交错式流道可以有效提升输出性能,改善氧和水的分布。     

流道截面形状对质子交换膜燃料电池性能的影响

流道的截面形状对质子交换膜燃料电池的性能有较大影响。基于流体力学计算方法搭建了三维质子交换膜燃料电池单电池模型,通过比较不同流道横截面形状、调整流道与气体扩散层接触面积的方式对模型进行数值模拟分析。结果表明:三角形和圆形流道生成的电流密度较大,燕尾形流道电流密度分布均匀性最好;燕尾形和圆形流道有最佳的水气分布均匀性。     

质子交换膜燃料电池三维气液两相流数值模拟

质子交换膜燃料电池液态水的生成和传输过程研究,是进行电池水管理的关键。该文基于多相混合流理论,建立了质子交换膜燃料电池三维气液两相流动与传热的数学模型。该模型不仅能模拟燃料电池内部反应气的流动、扩散和化学反应过程,还能模拟液态水的传输和相变过程。应用该模型模拟了电池内液态水的分布及其对燃料电池性能的影响,结果表明液态水主要分布在阴极侧,在大电流密度下,液态水阻碍了氧的扩散过程,导致电池性能下降。模拟结果与实验结果吻合较好。     

复杂流道质子交换膜燃料电池单体的两相流模拟

为更真实地模拟质子交换膜燃料电池的工作性能,特别是电池内生成的水蒸气过饱和的情况,发展了一个简化的稳态的、非等温的三维两相流数学模型.模型考虑了相变过程对电池的温度场和传质过程以及电池性能的影响.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm蛇型流道结构质子交换膜燃料电池进行了数值计算,得到了电池内复杂的流场、温度、局部电流密度和组分浓度等的多维空间分布.最后,分析了不同的阴极反应气加湿对电池性能所产生的影响.     

扩散层与催化层对直接甲醇燃料电池性能影响的数值研究

为了考察直接液体甲醇燃料电池(DMFC)中扩散层和催化层的结构参数对电池性能的影响,建立了二维、单相、全电池模型.模型中综合考虑了电化学动力学、水动力学、化学反应和各种组分传递的耦合过程以及甲醇窜流在阴极形成的寄生电流,对阳极催化层和阴极催化层传质过程引入了团聚块模型进行修正.利用此模型,通过自主开发的计算程序,计算了扩散层、催化层的厚度和孔隙率对电池输出性能及甲醇窜流的影响.计算结果表明:相对于催化层而言,电池性能在更大程度上依赖于扩散层的参数.在不同的电池输出电流密度下,扩散层厚度对电池输出性能有不同的影响趋势,应在考虑其他参数的基础上选择合适的扩散层厚度,以获得较优的电池输出性能.大的孔隙率可减小传质阻力,但在提高电池输出性能的同时会加重甲醇窜流.     

用于流动显示的多功能循环水槽

自1985年以来，已研制了10多台多功能循环水槽。除用于流动显示外，还可满足流体力学的基础实验。实践证明，该设备流速在0．2—0．8m/s时，无级调速、流场均匀、流态稳定、重复性好、操作简便、可作长时间运行。     

植物对明渠水流的影响

基于理论推导及其简化处理,并结合部分水槽试验资料的回归分析,建立了明渠植树后床面相对切应力、糙率与树木因子ＦＶ之间的计算关系,为进一步探讨植物滞流拦沙的机理奠定了基础     

矩形截面螺旋通道内的二次流流场特性

为了揭示螺旋通道横截面全流场信息,利用二维粒子图像测速仪(PIV)对高宽比为5∶7的矩形截面螺旋通道第二个螺距内的5个横截面流场进行了实验测量,获得了不同雷诺数下、不同横截面的二次流瞬态流场以及涡量场图像。实验结果表明:靠近螺旋通道外壁面下角处存在低速区,并产生了一个顺时针方向的旋涡,而螺旋通道内壁上角处同样存在低速区并产生了一个旋转方向相反的小旋涡,内壁上角和外壁下角的正负涡量绝对值较大;随着螺旋角的上升,横截面的二次流高速区速度分布由内侧逐步向外侧移动,使得外侧速度增加,其截面中心处二次流方向是自下向上流动;流体旋转一圈半后,螺旋流动达到稳定状态。此研究结果可为螺旋通道的强化换热设计提供一定的参考。     

放置翼型的槽道湍流的实验研究

采用有限单元法对隧道电阻率超前探测进行数值模拟,研究冷冻法施工前后,地下水变化导致的电阻率超前探测视电阻率改变。冷冻法未完成时,超前探测视电阻率为低阻异常;冷冻法完成后,超前探测视电阻率为高阻异常。结果表明,电阻率超前探测可以准确监测隧道冷冻法的施工效果。     

不可压缩流体的有压槽道紊流

本文应用管流与有压槽道流的力学相似性,从理论上推导出不可压缩流体有压槽道紊流的以下3个关系式;(1)紊流时均速度的对数分布模型与断面平均流速的关系.(2)紊流光滑壁层流边层的厚度与速度计算公式.(3)阻力系数公式.以上结果已与 Dean 的工作进行了比较,在已知的实验范围内优于 Dean 本人提出的经验公式.     

蜿蜒河道水流数值模拟及其应用

在蜿蜒河道的水流计算模拟中,提出了以水深为权重的质量集中有限元方法,改进了河床横断面高程变化剧烈的不稳定计算模式.以此方法建立了二维蜿蜒河道水流数学模型,模拟了飞云江中下游河道枯、丰水期大、中、小潮的流动形态,与实测水位、流速和流向资料相比吻合良好.     

结构与风机流量对负压通道流动特征的影响

为同步包装机的物料交接和吸附工序，提出一种含多个负压吸盘的主墙板与副墙板联合通道. 基于计算流体动力学技术，建立负压通道流场模型. 结合RNG k-ε湍流模型与增强壁面处理，探讨通道结构参数与风机流量对流场压力与速度分布的影响. 结果表明，渐扩管、导流构件与负压风机位置对空气流动影响较大. 渐扩管处的旋流效应会加剧压力损失，负压吸盘附近的导流构件能够降低气流紊乱度，风机布置在通道中心时将显著提高气流平均速度. 基于层次分析法，建立流动特征综合性能量化模型. 当风机流速为13 m/s时，改进结构中主墙板与副墙板的流动性能分别提高53%与21%. 风机流速增加到18 m/s时，风机的影响效果高于结构的影响.     

湍流二元电解质流动和传质特性的数值模拟

应用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)、传质学和电化学理论, 建立了二元电解质溶液湍流运动的物理和数学模型. 针对恒电流情况, 通过数值计算研究了电解质溶液的传质和运动特性, 讨论电解质溶液平均浓度场随电解时间的演变规律和电解质湍流流场结构, 分析不同Schmidt 数以及交换电流密度大小对电解质溶液平均浓度场和脉动场的影响.     

平直通道中层流脉动流动的数值模拟

对不可压缩脉动流动的流动和换热特性进行了数值模拟研究.当脉动频率较低时,充分发展的振荡速度分布类似于稳态的抛物形分布,而频率很高时,脉动的影响显现出来并且体现在靠近壁面的狭窄区域内.在脉动流动下,入口段的长度值发生类似正弦方式的波动,其相位和振幅受脉动频率的影响,壁面摩擦系数也发生正弦规律的变化,其相位和振幅也与脉动频率有关.另外,脉动对于壁面的换热也有一定影响,随着频率的增大,流体的脉动对于换热的影响逐渐被局限在加热段上游.研究结果表明,脉动流动的摩擦损失和换热特性与稳态流动的截然不同,对于处在非定常流动工况(如振荡流动)下的热系统部件的优化设计,需加以认真考虑.