VRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流場(chǎng)有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

PAGEVＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流場(chǎng)有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)重慶高校機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室２01１年４月１０日名目TＯC\o”1-3＂\h\ｚ\uHＹＰＥＲLＩＮＫ\l＂_Ｔoc２902３6799”1． 綜述?PAGＥREＦ_Toc29０２36799\h4HＹPERＬＩNK\l”_Toc29０236800”1.1 問(wèn)題描述 PAＧERＥF_Toｃ29023６8０0\ｈ4HYPERLINK\l＂＿Toc２90２3６8０1＂1.2 技術(shù)路線(xiàn)?PAGERＥＦ_Ｔｏｃ290236801\h5ＨYPERＬIＮK＼ｌ"_Toc290２36８02”1．3?評(píng)價(jià)指標(biāo) PＡGEＲＥF_Toc29０23６80２\h6HYＰERLINK1。３．1?單電極電極區(qū)流體流量均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo) PAGＥRＥF_Tｏc2902３6803\h6HYPERLＩNK\l＂_Toc290236804"１．3。2 各單電池之間流體流量均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo) PAGEREF_Tｏc２9０236804＼h7ＨＹPERＬINＫ\ｌ”_Tｏc290236805"１。4 流體力學(xué)理論 PAＧＥREF_Ｔｏc29023６805＼h７HＹPERLＩNＫ＼l＂_Toｃ2９０２3６806”1．4.1 抱負(fù)流體微小流束的伯努利方程 PＡGＥRＥF_Toｃ2９02３6８06\h7HYPERLIＮK\l”_Ｔｏc２９02３6807”１。４.2 管道計(jì)算?PAＧEREＦ_Toc２９0２３680７\h８HYPERLINK\l＂_Toｃ2９０２36808＂1。4.3 多孔介質(zhì)中的滲流?PAGERＥF_Toｃ２90２３６8０８\ｈ10HＹＰERLINK\ｌ"_Tｏc２902３６８０９＂1.5?材料屬性?PＡGＥRＥＦ_Tｏｃ２9０236８09\h11HＹPERLＩNK＼l”＿Toc2902３6810＂2。 多孔介質(zhì)模型的簡(jiǎn)化 ＰAGEREF＿Toc29023６810\h12HYPERLIＮＫ2.1?流體在多孔介質(zhì)中均勻滲流有限元分析 PAＧEREF_Toｃ２90２３６811\ｈ1２HYPERＬＩＮK＼l”_Tｏｃ290２3681２”2．２ 多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化 ＰＡGＥＲEF_Tｏc2９0236812\h13ＨYPERLINK＼l”_Ｔoｃ290２3681３”3。?６．5ＫWVRB儲(chǔ)能電池(測(cè)試堆)系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析?PAＧＥREF_Toc290２3６8１３\ｈ1５ＨYPERＬINK\ｌ"_Ｔoｃ29０236814"4。 5ＫWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) PAGＥREF_Toc2902３６8１4\ｈ１8HYＰEＲLINK\l”＿Tｏc290２3６81５"4.1 5ＫＷVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析 PAGEＲEF_Toc2９0２368１5＼ｈ18HYＰＥRＬIＮＫ\ｌ”_Toc290２36８16”４。2?5KWVRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?PＡＧEＲEＦ_Toc290236816\ｈ20HYＰERLＩＮK\l＂_Tｏc290２36８17”4。2。１?5ＫWVＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一 ３６8１7\ｈ20HYＰERLＩＮＫ\l"_Tｏc２90236818"4.２。2 5KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)二?PＡＧEＲEＦ_Toｃ2902３6818\h23HYＰERLIＮK＼l＂_Toc２9０２3６8１9"4。２。３?5ＫＷＶＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)三 PAＧＥREF＿Tｏc2902３６81９\h26HYＰERLINK6. 5KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的流場(chǎng)分析 PＡGERＥF＿Toc2902368２４＼h34HＹPEＲＬIＮK\ｌ”_Toc290236８25"6.１?理論分析?PAGEＲEF_Toc２9023６825\h34HＹPERLINK\l"_Tｏc2902３682６”6。2?有限元仿真分析 PAGERＥF_Toc2902３６826\ｈ３6ＨYPEＲLINK\l”_Toc290２3682７＂7。?結(jié)論?PＡＧEREF＿Ｔoc2902３68２7＼h38HＹPERLINK＼l＂_Toc2902３6828＂參考文獻(xiàn)?ＰAGERＥF_Toc290236828\h4０VRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流場(chǎng)有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)PAGE39綜述問(wèn)題描述釩氧化還原液流電池（簡(jiǎn)稱(chēng)VRB儲(chǔ)能系統(tǒng))是利用不同價(jià)態(tài)釩離子之間的氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。其原理如圖１所示。釩電堆主體結(jié)構(gòu)由端板、雙極板、多孔電極、質(zhì)子交換膜、多孔電極、雙極板、多孔電極、質(zhì)子交換膜、多孔電極、雙極板……端板的挨次所組成，如圖2、圖3所示,其中圖3為側(cè)進(jìn)液方式,本課題討論端進(jìn)液方式。多孔電極活性碳纖維氈壓裝在液流框內(nèi).液流框的三維幾何模型如圖4、圖５所示。從儲(chǔ)液罐經(jīng)由電堆進(jìn)液母管進(jìn)入的流液，流經(jīng)三個(gè)縮管和若干個(gè)小支管,進(jìn)入到由活性炭纖維氈填充的電極區(qū),進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)完的電解液通過(guò)若干個(gè)小支管和三個(gè)縮管再匯合到出液母管，從而流回到儲(chǔ)液罐。圖1ＶＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)原理示意圖圖2電堆主體結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，每個(gè)單電池的功率應(yīng)盡可能相等，即相同時(shí)間內(nèi)流經(jīng)每個(gè)單電池的流量應(yīng)盡可能相同。而對(duì)于每個(gè)單電池，液流框是很重要的一個(gè)部件，液流框的流道結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對(duì)電解液在多孔電極區(qū)的流淌特性有很大影響,進(jìn)而影響整個(gè)儲(chǔ)能電堆的性能。因此,本課題的目的在于提出5ＫＷVRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而保證單電池之間以及單電池電極區(qū)流體內(nèi)部流量的均勻性。圖3ＶRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)三維幾何模型（側(cè)端進(jìn)液)圖46。5KWVRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)（測(cè)試堆)液流框三維幾何模型技術(shù)路線(xiàn)依據(jù)待解決的問(wèn)題,制定簡(jiǎn)略技術(shù)路線(xiàn)如下:a)依據(jù)6．5ＫWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)（測(cè)試堆）液流框三維幾何模型，建立流場(chǎng)分析有限元模型，分析單電極電極區(qū)流量均勻性;找出對(duì)流量均勻性貢獻(xiàn)度較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)；通過(guò)對(duì)測(cè)試堆的流場(chǎng)分析,掌握ＶRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律，為５KWＶＲＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)供應(yīng)依據(jù)。依據(jù)初始設(shè)計(jì)的５ＫWVＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框三維幾何模型,建立流場(chǎng)分析有限元模型,分析進(jìn)入電極工作面的流道結(jié)構(gòu)合理性以及流量均勻性。圖5５KWＶＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框三維幾何模型參考對(duì)測(cè)試堆的流場(chǎng)分析所得到的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律，依據(jù)初始設(shè)計(jì)的５KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框的流場(chǎng)分析結(jié)果，提出液流框流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保證進(jìn)入電極工作面的液體流量分布較均勻,無(wú)貧液和積液區(qū),結(jié)構(gòu)合理,易于密封。考慮4０個(gè)單電池組成的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，首先進(jìn)行理論分析,然后建立簡(jiǎn)化的流場(chǎng)分析有限元模型,以電堆系統(tǒng)流量均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，母管管徑為設(shè)計(jì)變量，建立優(yōu)化模型，對(duì)輸入、輸出管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。評(píng)價(jià)指標(biāo)為了更好的評(píng)價(jià)流量的均勻性，提出評(píng)價(jià)流量均勻性指標(biāo)。單電極電極區(qū)流體流量均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)１）定性評(píng)價(jià)：從流體仿真圖中進(jìn)行直觀(guān)評(píng)判。2)定量評(píng)價(jià)：設(shè)計(jì)兩個(gè)量化指標(biāo),能夠很好的表征電極區(qū)流體流量的均勻性。本文所采納的指標(biāo)為各支管加權(quán)質(zhì)量流量的偏差S2S2=(x其中,x,i為第ｉ個(gè)支管的加權(quán)質(zhì)量流量,x,m為其均值，x,Wi式中，Ｌ為電極區(qū)的寬度,Li為第ｉ個(gè)支管的理論供應(yīng)寬度，如下圖所示。因此,偏差S各單電池之間流體流量均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)第個(gè)單電極的質(zhì)量流量為,其中最大質(zhì)量流量為，最小質(zhì)量流量為,抱負(fù)質(zhì)量流量為，定義最大誤差：（4）因此，最大誤差R越小,單電極之間的流量均勻性越好流體力學(xué)理論抱負(fù)流體微小流束的伯努利方程流體的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣、紛繁簡(jiǎn)潔,但流體的運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一部分，遵守能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,伯努利方程意在討論運(yùn)動(dòng)流體所具有的能量以及各種能量之間轉(zhuǎn)換規(guī)律。對(duì)于流線(xiàn)上的任意兩點(diǎn)1、2,有［5](５）其中，ｈ為水頭,為重度，即單位體積流體所具有的重量;、為兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力，、為流體沿流線(xiàn)方向的質(zhì)量流速.g為重力加速度，、為相對(duì)海拔高度。從能量的角度，為比位能,表示單位重量液體對(duì)于基準(zhǔn)面的位能;為比壓能,表示單位重量液體所具有的壓力能，為動(dòng)能，表示單位重量液體所具有的動(dòng)能.上式為抱負(fù)流體運(yùn)動(dòng)微分方程沿著微小流束中的某一流線(xiàn)進(jìn)行積分的結(jié)果。它表明白當(dāng)質(zhì)量力只有重力時(shí),單位質(zhì)量的抱負(fù)流體沿著某一條流線(xiàn)作定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)要素z、ｐ、u之間的關(guān)系。管道計(jì)算管道計(jì)算是流體力學(xué)工程應(yīng)用的一個(gè)重要方面，其目的是確定流量、管道尺寸和流淌阻力之間的關(guān)系。管道計(jì)算問(wèn)題可分為三類(lèi)：(１）已知流量和管道尺寸,計(jì)算壓力降;（2)已知管道尺寸和允許的壓力降，確定流量;(3）依據(jù)給定的流量和壓力降，計(jì)算管道尺寸.（1）簡(jiǎn)潔管道的水力計(jì)算簡(jiǎn)潔管路是指管道截面不變、無(wú)支路,輸送的流體質(zhì)量流量恒定的管路。圖6簡(jiǎn)潔管道示意圖如圖6所示,由水池接出一根長(zhǎng)為L(zhǎng)和直徑為d的簡(jiǎn)潔管路，水池的水面距管口的高度為H，管路流出的流量為Ｑ，水面受到外部壓力為,。以通過(guò)管道出口斷面重心的水平面O-O為基準(zhǔn)面,則水池中液面1-1與管路出口斷面2—2的總流伯努利方程為:（６)其中，hｆ為沿程損失即水頭損失,忽視很小的行進(jìn)流速１,依據(jù)長(zhǎng)管特征，上面的伯努利方程為：(７）依據(jù)水頭損失公式得:(８）其中，為特性流量，A為管路橫截面積，R為水力半徑，c為蔡西系數(shù)；。.。.由于特性流量Ｋ是管道直徑與蔡西系數(shù)c的函數(shù)，因此對(duì)不同粗糙度及不同直徑的管道，特性流量可預(yù)先計(jì)算列成數(shù)值表，這樣進(jìn)行管路計(jì)算時(shí)就有很大的便利。（2)串聯(lián)管道的水力計(jì)算串聯(lián)管路是由幾個(gè)不同直徑的管段串聯(lián)在一起所組成.各簡(jiǎn)潔管路內(nèi)質(zhì)量流量相等，串聯(lián)管路上的總阻力損失等于各簡(jiǎn)潔管路阻力損失之和.圖７串聯(lián)管道示意圖如圖7所示，各管段長(zhǎng)度、直徑、流量、各管段末端分出的流量和各段的壓差分別用lｉ、di、Ｑi、qi、表示。串聯(lián)管路中的每一段管路，實(shí)際上都是簡(jiǎn)潔管路,任一管路的水頭損失為：(９）各管段的水頭損失之和應(yīng)等于整個(gè)管路的作用水頭，即:（１０）式中,ｍ為管路中管段總數(shù)目.流量關(guān)系式可按連續(xù)性條件寫(xiě)出，即：（1１）若ｑｉ=0，即沿程無(wú)流量分出,則,即有:(１2)（3)并聯(lián)管道的水力計(jì)算如果幾條簡(jiǎn)潔管路或串聯(lián)管路的進(jìn)口端與出口端分別連接在一起，就組成一個(gè)并聯(lián)管路.圖８并聯(lián)管道示意圖如圖8所示,三條管路組成并聯(lián)管路,記左右節(jié)點(diǎn)分別為A、B，兩節(jié)點(diǎn)之間各管段直徑分別為ｄ1、d2、d3,通過(guò)的流量分別為Ｑ１、Ｑ2、Q３。節(jié)點(diǎn)Ａ、B分出流量分別為qＡ、ｑB，壓差為.一般來(lái)說(shuō)ｑA、qB是不等于零的,幾個(gè)管段的流量是各不相同的。并聯(lián)管路一般按長(zhǎng)管計(jì)算。并聯(lián)管路的水流特點(diǎn)是液體通過(guò)并聯(lián)段每一支管的水頭損失皆相等。節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B是各支管所共有的，若在Ａ、Ｂ兩點(diǎn)分別設(shè)置測(cè)壓管，則每一點(diǎn)只可能消滅一個(gè)測(cè)壓管水頭,其測(cè)壓管水頭差即是A、B間的水頭損失，即:（１３）各支管的流量與總流量間應(yīng)滿(mǎn)意連續(xù)性方程。對(duì)節(jié)點(diǎn)AＱ4=qA+Ｑ１+Ｑ2＋Q3對(duì)節(jié)點(diǎn)BＱ５=Ｑ1+Ｑ2＋Ｑ-qＢ若qA＝ｑB=0，則流量關(guān)系式為：Q4=Q1+Ｑ２+Ｑ3=Q５（１4）整個(gè)管路系統(tǒng)的水頭損失等于系統(tǒng)中并聯(lián)管路水頭損失與其它管段水頭損失之和，即(1５)依據(jù)式（13)、(1４）可以解決并聯(lián)管路水力計(jì)算的各種問(wèn)題.這里需要指出的是:并聯(lián)管路各管段的水頭損失相等，只表明通過(guò)每一管段的單位重量液體的機(jī)械能損失相等。但由于通過(guò)各管段的流量并不肯定相等，所以各管段上的總機(jī)械能損失（全部液體重量）也不肯定相等,即流量大的管段，其機(jī)械能損失也大;反之亦然.（４）環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算環(huán)狀管網(wǎng)的計(jì)算比較簡(jiǎn)潔。在計(jì)算環(huán)狀管網(wǎng)時(shí)，首先依據(jù)地形圖確定管網(wǎng)的布置及確定各管段的長(zhǎng)度，依據(jù)需要確定節(jié)點(diǎn)的流量.依據(jù)經(jīng)濟(jì)流速?zèng)Q定各管段的通過(guò)流量,并確定各管段管徑及計(jì)算水頭損失.環(huán)狀管網(wǎng)的計(jì)算必須遵循下列兩個(gè)原則：（1)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上流入的流量等于流出的流量,如以流入節(jié)點(diǎn)的流量為正,流出節(jié)點(diǎn)的流量為負(fù)，則兩者的總和應(yīng)為零。即(16）（2)在任一封閉環(huán)內(nèi)，水流由某一節(jié)點(diǎn)沿兩個(gè)方向流向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),兩方向的水頭損失應(yīng)相等.如以水流順時(shí)針?lè)较虻乃^損失為正,逆時(shí)針?lè)较虻乃^損失為負(fù)，則二者的總和應(yīng)為零。即（17)多孔介質(zhì)中的滲流最早,法國(guó)工程師達(dá)西(Ｈ．Darｃy）在垂直圓管中裝沙進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)(如圖9所示）,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，滲流量除與斷面面積成直接比例外,正比于水頭損失，反比于滲徑長(zhǎng)度；引入決定于土粒結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)的一個(gè)常數(shù)時(shí)，則達(dá)西定律可寫(xiě)為（１８)對(duì)于滲流來(lái)說(shuō)，流速水頭可以忽視,故測(cè)壓管水頭就代表單位重量流體的能量，就代表能量的損失。圖9達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)示意圖由（19)得到（20)其中，,k為滲透系數(shù)?；钚蕴祭w維氈是由活性碳纖維組成，為典型的多孔介質(zhì)，電解液在活性碳纖維氈中的流淌為多孔介質(zhì)中的滲透流淌,纖維中Reyｎoｌdｓ數(shù)的計(jì)算公式為(２1）其中，——流體粘度,——流體密度，——纖維直徑,—-孔隙速度(）,——孔隙度,A-—多孔介質(zhì)的宏觀(guān)橫斷面面積，Q-—通過(guò)多孔介質(zhì)的體積流速。依據(jù)達(dá)西定律適用范圍的確定,若Re＜5,此流體為線(xiàn)性阻力關(guān)系的層流運(yùn)動(dòng),為典型的達(dá)西流[３].滿(mǎn)意達(dá)西定律，其一般形式依據(jù)坐標(biāo)分方向列出,方向的表達(dá)式如下：(22）——?jiǎng)恿φ扯?——滲透率，——損失系數(shù)。其中第一項(xiàng)表示粘性阻尼力所造成的壓降梯度，其次項(xiàng)是慣性力所造成的壓降梯度.當(dāng)多孔介質(zhì)中流體流淌的雷諾數(shù)很小時(shí),流體的慣性能可以忽視不計(jì),即=0，那么把與宏觀(guān)流淌方向正交的兩個(gè)平面的壓力差，令其等于這兩個(gè)平面間的全部單元的粘性阻尼力，就可以得到下面的計(jì)算纖維的滲透率的公式:(2３)其中,—-滲透率,-—孔隙度,——纖維直徑，——流體密度，-—流體粘度，—-體積流量，——孔隙速度.材料屬性電解液（流體)性能參數(shù)如表1所示,其余參數(shù)與水的相同。表1、電解液（流體）性能參數(shù)濃度密度工作溫度℃黏度１。２1．35３52。64多孔介質(zhì)（活性碳纖維氈）性能參數(shù)如表２所示.表2、多孔介質(zhì)性能參數(shù)體積孔隙率(工作狀態(tài))比表面積m2/ｇ纖維直徑μm滲透率m0.5６0．５9．５[１,2]1。７×其中，滲透率由公式（2３）計(jì)算得到.多孔介質(zhì)模型的簡(jiǎn)化依據(jù)供應(yīng)的6．5ＫＷＶRB儲(chǔ)能電池（測(cè)試堆)液流框的三維模型,及外部總管的技術(shù)參數(shù)，在UG中建立單電極流道的三維模型，如圖10所示。圖１06.5KＷVRB儲(chǔ)能電池（測(cè)試堆)單電極流道的三維模型由于液流框中流道為扁平狀,厚度只有１．2mm或4ｍm,而為了保證流體計(jì)算模擬仿真的精確性，在厚度方向上至少應(yīng)該有７層單元。如果不進(jìn)行簡(jiǎn)化,單元數(shù)將至少達(dá)到４０00萬(wàn)。因此，必須在不影響影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化。流體在多孔介質(zhì)中均勻滲流有限元分析為了找出簡(jiǎn)化模型的方法,我們有必要先探究一下流體在多孔介質(zhì)中均勻滲流的情況。首先，建立的長(zhǎng)方體，電解液從一端均勻的滲透到另一端。對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并施加邊界條件如下：有限元模型：對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型，網(wǎng)格數(shù)為1０025６１。進(jìn)口（inlet）:假設(shè)進(jìn)口速度均勻分布,且無(wú)徑向重量。進(jìn)口質(zhì)量流量為０.151１７1，徑向和周向速度為零。管壁（wall）：管壁為光滑、非滲透性的,ｗaｌｌ１沒(méi)有滑移（沒(méi)有運(yùn)動(dòng),沒(méi)有壁面速度）,即流體在壁面邊界上的速度設(shè)為0,wａll2為自由滑移.圖1１均勻滲流模型邊界條件出口(outlet)：出口處相對(duì)壓力為０Pa。參考?jí)毫Γ海盿tm重力：9.８m/s滲透率：為了留肯定的簡(jiǎn)化余度，此處對(duì)滲透率進(jìn)行了肯定程度的擴(kuò)大，取K=2。5×10由公式（21）計(jì)算得到Rｅ＜<5［４],因此，多孔介質(zhì)區(qū)域?yàn)榈湫偷倪_(dá)西層流，見(jiàn)圖11所示。仿真設(shè)置如表3所示。表３均勻滲流模型仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力重力m/參考?jí)毫ｔmwall1Ｗall210０2５610．1511７１no－sliｐfrｅｅ－sliｐ0９．81設(shè)置了邊界條件、仿真步長(zhǎng)和誤差掌握等之后，對(duì)模型進(jìn)行求解,結(jié)果見(jiàn)圖１２所示。從仿真結(jié)果中可以得到，當(dāng)流液在多孔介質(zhì)中均勻滲流時(shí)，其壓降隨著路徑的增長(zhǎng)而線(xiàn)性增大，這與理論分析的結(jié)果(公式(2２))是全都的。對(duì)于的長(zhǎng)方體,電解液在其長(zhǎng)度方向上的壓降為47３0．1Pa,從而得到單位長(zhǎng)度上的壓降為63。０6７Ｐa/mm。圖1２均勻滲流模型壓力梯度圖圖13多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化模型鑒于上述結(jié)論，我們可以得到,如果多孔介質(zhì)中電解液為均勻滲流，那么我們就可以把這一均勻滲流的區(qū)域刪除，把其前端和后端直接相連,并在連接面上施加肯定的壓力差，其值為均勻滲流時(shí)單位長(zhǎng)度上的壓降與刪除段長(zhǎng)度的乘積。多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化基于上述思想,我們可以對(duì)單電極的多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，即在基本不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上減小多孔介質(zhì)的長(zhǎng)度,從而削減有限元仿真中的網(wǎng)格數(shù)量.為了確定多孔介質(zhì)中均勻滲流區(qū)的長(zhǎng)度，建立了如圖13所示的模型。在沒(méi)有刪除均勻滲流段時(shí),多孔介質(zhì)部分為的長(zhǎng)方體.對(duì)此模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而后進(jìn)行仿真設(shè)置如下。有限元模型：對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，網(wǎng)格數(shù)為1０0８０22６。進(jìn)口（ｉnｌｅt）：假設(shè)進(jìn)口速度均勻分布，且無(wú)徑向重量。進(jìn)口質(zhì)量流量為0．１５１１71，徑向和周向速度為零。管壁（ｗａll):管壁為光滑、非滲透性的，walｌ1沒(méi)有滑移（沒(méi)有運(yùn)動(dòng),沒(méi)有壁面速度)，即流體在壁面邊界上的速度設(shè)為０，wall２為自由滑移.出口(outleｔ）：出口處相對(duì)壓力為０Pａ。參考?jí)毫Γ?atm重力：９。8m/s連接:多孔介質(zhì)域之間進(jìn)行連接，即把兩者接觸面上的網(wǎng)格相連。而且兩接觸面的壓差為均勻滲流時(shí)單位長(zhǎng)度上的壓降（63。０67Ｐa/mｍ)與刪除段的長(zhǎng)度（７５0mm—L1－L2)乘積.滲透率：為了留肯定的簡(jiǎn)化余度,此處對(duì)滲透率進(jìn)行了肯定程度的擴(kuò)大，取K=2。5×10由公式（2１）計(jì)算得到Re〈<５［4],因此，多孔介質(zhì)區(qū)域?yàn)榈湫偷倪_(dá)西層流。仿真設(shè)置如表4所示。表4多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化模型的仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力重力m/連接處壓差ｗaｌl１Waｌl２１00８０２260．1511７1ｎｏ—ｓlipfreｅ—slip09.8Ｐ【注】邊界條件如圖1４所示。圖14多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化模型邊界條件圖１5時(shí)的模型流線(xiàn)圖設(shè)置了邊界條件、仿真步長(zhǎng)和誤差掌握等之后,對(duì)模型進(jìn)行求解,沒(méi)有刪除均勻滲流段時(shí)的仿真結(jié)果如圖１５所示.從圖中可以看出,流液進(jìn)入到多孔介質(zhì)域以后，飛快向兩邊集中，而后向前均勻滲透，直到出口縮管處才進(jìn)行飛快收縮。因此，中間很長(zhǎng)一段均勻滲透區(qū)域都可以進(jìn)行刪除處理。當(dāng)（即沒(méi)有刪除均勻滲流段）時(shí)，進(jìn)口壓力為5４87０Pa。設(shè)刪除均勻滲流段后進(jìn)口壓力為,以L(fǎng)1、L2為設(shè)計(jì)變量，以最小為優(yōu)化目標(biāo)，以(2４)為約束條件,進(jìn)行優(yōu)化,得到。因此，在后面的仿真計(jì)算中，可以把電極區(qū)的多孔介質(zhì)域簡(jiǎn)化成為的兩個(gè)相連域，并在連接面上施加肯定的壓力差。6.５KWVRB儲(chǔ)能電池(測(cè)試堆）系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析依據(jù)6．５KWＶRB儲(chǔ)能電池（測(cè)試堆）系統(tǒng)液流框的三維模型,并在前一章的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，在ANSYＳｗｏｒkｂencｈ中得到流道的三維模型，如圖16所示.與多孔介質(zhì)域1、2相連的分別為20個(gè)小支管，編號(hào)如圖20所示，且引導(dǎo)流液進(jìn)、出多孔介質(zhì)的４0個(gè)小支管關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)。圖166。５ＫWＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道三維模型對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到單電極的流道有限元模型，如圖17所示。圖１７為有限元模型的局部放大圖。圖1７6.5ＫWＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道有限元模型仿真設(shè)置如下:有限元模型：對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型，網(wǎng)格數(shù)為１４944074。進(jìn)口(inlet）:假設(shè)進(jìn)口速度均勻分布，且無(wú)徑向重量。6。5KＷ電堆的理論流量為１93．5L／h，由表１電解液的性能參數(shù)計(jì)算可得,電堆的理論質(zhì)量流量為72．５62５×1０-３kg/ｓ，因此，inlｅt1處的質(zhì)量流量為７２．5625×10—３kg/s。iｎｌet2和inlｅt3處流出其余２9個(gè)單電極總流量的三分之一與三分之二,分別為２3。381２×1０—3kｇ／s、46．７４6×1０-3kg／s。管壁（wall):管壁為光滑、非滲透性的，walｌ1沒(méi)有滑移（沒(méi)有運(yùn)動(dòng),沒(méi)有壁面速度),即流體在壁面邊界上的速度設(shè)為0，wａll２為自由滑移.出口(oｕｔlｅt）：出口ｏutlet1處相對(duì)壓力為0Pa,而在outlet２和ｏutｌet3處供應(yīng)其余２9個(gè)單電極總流量的三分之一與三分之二，分別為２３．381２×１0—3kg/s、４6。74６×10-3ｋｇ/s。參考?jí)毫?1atm重力：9。8m/s連接:多孔介質(zhì)域之間進(jìn)行連接,即把兩者接觸面上的網(wǎng)格相連，兩接觸面的壓差為均勻滲流時(shí)單位長(zhǎng)度上的壓降(63．067Ｐa/mｍ）與刪除段的長(zhǎng)度（7５0mｍ-L1－Ｌ2）乘積。滲透率:為了留肯定的簡(jiǎn)化余度，此處對(duì)滲透率進(jìn)行了肯定程度的擴(kuò)大，取K=2。５×10由公式（２1)計(jì)算得到Re〈〈5[４],因此，多孔介質(zhì)區(qū)域?yàn)榈湫偷倪_(dá)西層流。邊界條件與仿真設(shè)置見(jiàn)圖１8和表5.圖１８6。5KWＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流場(chǎng)仿真邊界條件表56.５ＫWVＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差I(lǐng)nlet１Ｉｎｌeｔ2Inlet３wａlｌOｐeｎinｇOｕtｌet2Ｏutｌｅt３14９440７4７2．５6２523．381３4６．763nｏ—ｓｌiｐ02３．３８１24６。7635０0０7圖19６．5KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流線(xiàn)圖設(shè)置好邊界條件、仿真步長(zhǎng)和誤差掌握等之后，進(jìn)行模擬仿真計(jì)算,仿真結(jié)果如圖19－2２所示。圖１9是液流框流道速度流線(xiàn)圖。圖20是液流框流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線(xiàn)圖。圖2１是液流框流道速度矢量圖.圖２2是液流框流道壓力梯度圖。圖206.５ＫWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖圖２1６．5KWＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流速矢量圖由仿真結(jié)果可知，壓力沿著流經(jīng)渠道降低，其中多孔介質(zhì)域的壓降很大，而進(jìn)、出母管中的壓降很小,可以忽視不計(jì),進(jìn)口相對(duì)壓力5９8０４Pa。整個(gè)流道中，六個(gè)縮管處的流速最大;多孔介質(zhì)域體積較大,流速很小。圖２26.5KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道壓力梯度圖依據(jù)1。3．1中的定義，得到６．５KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框進(jìn)出口各支管加權(quán)流量，如圖23所示，縱坐標(biāo)為各個(gè)支管的加權(quán)質(zhì)量流量。從圖中可以得到，各支管的加權(quán)質(zhì)量流量在１.0５－1．5之間,波動(dòng)較大，其進(jìn)、出口各個(gè)支管的加權(quán)質(zhì)量流量偏差均為=，最大誤差r為34%,這勢(shì)必導(dǎo)致單電極電極區(qū)中液流流量均勻性較差.圖23６.５KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖５KＷVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)5ＫWVＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析圖2４5ＫＷVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道三維模型依據(jù)5KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框的三維模型,并進(jìn)行簡(jiǎn)化，在ANSＹSｗoｒkbｅncｈ中得到流道的三維模型,如圖２4所示。與多孔介質(zhì)域1、2相連的分別為17個(gè)小支管，編號(hào)如圖27所示,且引導(dǎo)流液進(jìn)、出多孔介質(zhì)的３4個(gè)小支管關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)。圖255KWVＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流場(chǎng)仿真邊界條件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到流道的有限元模型，邊界條件與仿真設(shè)置與測(cè)試堆相像，如圖25及表6所示。表65KWＶＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差I(lǐng)nlet1Iｎlｅｔ2Inｌｅt3walｌOpeningOuｔlet1Outleｔ２８245596６1．539.9751９。988no-sliｐ０39。9７5１9.9883１５7２設(shè)置了邊界條件、仿真步長(zhǎng)和誤差掌握等之后，進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，仿真結(jié)果見(jiàn)圖26-28所示。圖２6是5KW液流框流道速度流線(xiàn)圖。圖27是５ＫW液流框流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線(xiàn)圖。圖28是5ＫW液流框流道速度矢量圖。圖２65ＫWVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流線(xiàn)圖由仿真結(jié)果可知,壓力沿著流經(jīng)渠道降低，其中多孔介質(zhì)域的壓降很大，而進(jìn)、出母管中的壓降很小,可以忽視不計(jì)，進(jìn)口相對(duì)壓力３794２Pａ。整個(gè)流道中,六個(gè)縮管處的流速最大,而多孔介質(zhì)域的體積較大，流速很小。圖２75KＷＶＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖圖285ＫWVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流速矢量圖依據(jù)1。3.１中的定義,得到5ＫWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框進(jìn)、出口各支管加權(quán)流量的分布情況，如圖29所示,其中縱坐標(biāo)為進(jìn)、出口各支管的加權(quán)質(zhì)量流量.從圖中可以得到，各支管的加權(quán)質(zhì)量流量在０。８—1．05之間,波動(dòng)較大，其進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的偏差均為=，最大誤差r均為24%。這勢(shì)必導(dǎo)致單電極電極區(qū)中液流流量均勻性較差，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn).圖２９5ＫWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖５KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)由上述分析可知，原5ＫWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)各小支管加權(quán)流量波動(dòng)較大，單電極電極區(qū)的流量均勻性較差，為了保證進(jìn)入電極工作面的液體流量分布較均勻，無(wú)貧液和積液區(qū)，必須對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).本節(jié)分別采納三組不同的設(shè)計(jì)變量，提出了三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。5ＫWＶＲＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一圖305KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一的三維模型圖本次優(yōu)化是建立在圖30所示的液流框三維模型基礎(chǔ)上的.為了削減設(shè)計(jì)變量,分別在進(jìn)、出多孔介質(zhì)處建立了孤立的、尺寸完全相同的三組支管，每組六個(gè),寬度都為3mm。而且，每一組的六個(gè)支管關(guān)于中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng),如圖31所示。因此，理論上,只需要四個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量就可以達(dá)到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖31５KWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一中的設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖這四個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為：（1)單支縮管寬度,(2）支管1與中心線(xiàn)的距離，（３）支管2與中心線(xiàn)的距離,(4）支管３與中心線(xiàn)的距離，如圖31所示。每一次優(yōu)化都與上述原儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的分析過(guò)程基本全都，如圖3２、圖33和表7所示。圖325KＷVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一流道三維模型圖335KＷVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一流場(chǎng)仿真邊界條件表75KＷＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差Ｉnlet１Iｎlet２Ｉｎlet３ｗallOｐenｉnｇＯuｔlｅt2Ｏutlet3107８１０１06１.539。９75１9.9875nｏ－sｌｉp039。9７５1９.９８75３１572經(jīng)過(guò)多次迭代與優(yōu)化后，得到設(shè)計(jì)變量的最佳值為：（1)單支縮管寬度為８mｍ,(2）支管１與中心線(xiàn)的距離為1４.76mm,（3）支管2與中心線(xiàn)的距離4４.２４mｍ,(４)支管3與中心線(xiàn)的距離７３.7３ｍｍ。優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見(jiàn)圖3４－３7，進(jìn)口壓力為３8774Pａ。圖34是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一的流道速度流線(xiàn)圖。圖3５是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一的流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線(xiàn)圖。圖36是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一的流道速度矢量圖。圖34５KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一流道流線(xiàn)圖圖355ＫＷVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖從圖３7中可以看出,進(jìn)、出口各支管的加權(quán)流量在0．８5３-0.856之間，波動(dòng)很小。依據(jù)1.３．1的定義得到進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的最大偏差為，最大誤差r為0。３１7%。因此，可以推斷，流液在多孔介質(zhì)（電極區(qū)）流量均勻性較好,不會(huì)消滅積液區(qū)與貧液區(qū)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一具有肯定可行性。圖365ＫWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一流道流速矢量圖確定優(yōu)化方案之后,為了探究流速波動(dòng)對(duì)流量均勻性的影響,分別施加不同進(jìn)口流速,并進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。仿真結(jié)果見(jiàn)表8所示，可知：進(jìn)口流量對(duì)進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的最大誤差r基本沒(méi)有影響。因此，肯定范圍的流速波動(dòng)對(duì)電極區(qū)的流量均勻性沒(méi)有影響.圖３7５KＷVＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖表8不同進(jìn)口流速對(duì)流量均勻性的影響進(jìn)口流速偏差最大誤差ｒ％31.50。６80。32１５1.５1．０0.3１9６１.5１．４0．31７71。5３。４0.3１7８1。5４．50。3１85KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)二圖385ＫＷＶRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的三維模型圖本次優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在圖３8所示的液流框三維模型基礎(chǔ)上的。為了削減設(shè)計(jì)變量，分別在進(jìn)、出多孔介質(zhì)處建立了兩組尺寸完全相同的支管，每組八個(gè)，寬度均為3ｍm，縮管的尺寸也完全相同。而且,每一組的八個(gè)支管關(guān)于中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，如圖３9所示.因此,理論上,只需要轉(zhuǎn)變四個(gè)同質(zhì)的（均為支管與中心線(xiàn)的距離)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，就可以達(dá)到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖3９5KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖這四個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量分別為：(1)支管1與中心線(xiàn)的距離,(2）支管２與中心線(xiàn)的距離,(3）支管3與中心線(xiàn)的距離,（４)支管４與中心線(xiàn)的距離，如圖3９所示。每一次優(yōu)化都與上述原儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的分析過(guò)程基本全都，邊界條件與仿真設(shè)置見(jiàn)圖41和表９。圖４05ＫWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的流道三維模型圖４15ＫWＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二流場(chǎng)仿真邊界條件表95KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差I(lǐng)nleｔ1Ｉnｌｅt2Iｎｌｅｔ3ｗaｌｌＯｐenｉnｇOutlｅt1Ouｔlｅｔ281９751461。529.９829。98nｏ-ｓｌｉp029.9８29。９8３15７2經(jīng)過(guò)多次迭代與優(yōu)化后，得到四個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳值為:(1）支管1與中心線(xiàn)的距離16.7ｍｍ，（2）支管2與中心線(xiàn)的距離５0。１5mｍ，(３)支管3與中心線(xiàn)的距離83.5５mｍ,（4)支管４與中心線(xiàn)的距離116。８5mｍ。優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見(jiàn)圖42-45，且進(jìn)口壓力為396０３Pa.圖４２是５KW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的流道速度流線(xiàn)圖。圖4３是5KW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線(xiàn)圖。圖44是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的流道速度矢量圖.圖42５KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二流道流線(xiàn)圖從圖45中可以看出,進(jìn)、出口各支管的加權(quán)流量在0．９58-0。9６4之間，波動(dòng)很小.依據(jù)１。3．1的定義得到進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的偏差為，最大誤差r為0。5１5％。因此，可以推斷,流液在多孔介質(zhì)（電極區(qū))流量均勻性較好，不會(huì)消滅積液區(qū)和貧液區(qū)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二具有肯定可行性。圖43５ＫWＶRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖圖445KWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二流道流速矢量圖確定優(yōu)化方案二之后,為了探究流速波動(dòng)對(duì)流量均勻性的影響,分別施加不同進(jìn)口流速,并進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。仿真結(jié)果見(jiàn)表10所示。可知：進(jìn)口流速對(duì)進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的最大誤差ｒ基本沒(méi)有影響.因此，肯定范圍的流速波動(dòng)對(duì)電極區(qū)的流量均勻性沒(méi)有影響。圖４55KWＶRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖表1０不同進(jìn)口流速對(duì)流量均勻性的影響進(jìn)口流速偏差最大誤差ｒ%5１．5５。10。51５61。57。30.５1571．59。９０。5168１．51２。90。5169１.5１6.２０。517５KWＶRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)三圖465ＫＷVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三的三維圖本次優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在圖4６所示的液流框三維模型基礎(chǔ)上的。為了削減設(shè)計(jì)變量,分別在進(jìn)、出多孔介質(zhì)處建立了兩組尺寸完全相同的支管，每組十個(gè)，寬度都為3mｍ，縮管的尺寸也完全相同。每一組的十個(gè)支管關(guān)于中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，如圖４７所示。因此，理論上僅需要轉(zhuǎn)變五個(gè)同質(zhì)的（均為支管與中心線(xiàn)的距離）優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，就可以達(dá)到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖475ＫWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三的設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖圖485KWVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三流道三維模型圖495KWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三流道流場(chǎng)仿真邊界條件這五個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量分別為:（1）支管1與中心線(xiàn)的距離，(2）支管2與中心線(xiàn)的距離，（３)支管3與中心線(xiàn)的距離,(4)支管4與中心線(xiàn)的距離，(5)支管5與中心線(xiàn)的距離，如圖４７所示。每一次優(yōu)化都與上述原儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的分析過(guò)程基本全都,邊界條件和仿真設(shè)置如圖4８、圖49和表1１所示。表115ＫＷＶRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差I(lǐng)nlet１Inlet2ｗallＯpeningOutlet8６00717６１．５5９。９625ｎo—slip０59。９625３1５14經(jīng)過(guò)多次迭代與優(yōu)化后,得到設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化值為:（1）支管1與中心線(xiàn)的距離1３．4mm，（２)支管２與中心線(xiàn)的距離40.2ｍm，（３)支管3與中心線(xiàn)的距離６7mｍ，(４）支管４與中心線(xiàn)的距離９3.8mm，(4）支管5與中心線(xiàn)的距離1２0．6mｍ.優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見(jiàn)圖5０-5３。其中，進(jìn)口壓力為3８229Pａ。圖５05KWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三流道流線(xiàn)圖從圖5２中可以看出，進(jìn)、出口各支管的加權(quán)流量在0．7６5-0。7７5之間，波動(dòng)范圍很小,依據(jù)１．3。１的定義得到進(jìn)、出口各支管加權(quán)流量偏差為4.156×10?14，最大誤差r為０．9２7％。因此，可以推斷,流液在多孔介質(zhì)（電極區(qū)）流量均勻性較好，不會(huì)消滅積液區(qū)與貧液區(qū)，方案三也具有較好的可行性。圖５1５ＫＷＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖圖525KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖圖535KＷＶＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三流道流速矢量圖５KＷＶRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的比較表１2為不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的對(duì)比。由表可知：三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案都能較大地減小各支管加權(quán)質(zhì)量流量的偏差和最大誤差,即能夠解決電極區(qū)電解液流速均勻性問(wèn)題。雖然三種方案的結(jié)果有細(xì)微的差別，但這種差別很小。因此,我們應(yīng)該更多的從制造、加工成本的角度來(lái)確定最終的方案.明顯地,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三相比于其它兩個(gè)方案：（1）只有兩個(gè)母管；(2）母管到電極區(qū)之間的流道較簡(jiǎn)潔,加工更容易。因此，方案三應(yīng)優(yōu)于方案一和方案二。表12不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的比較方案偏差最大誤差r%進(jìn)口壓力Ｐa原方案３65０２4３794２方案一1．40.３1738７7４方案二７．30。５１５３９６０3方案三4．２0.９273822９新5KＷVRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)新5KＷＶRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框流場(chǎng)有限元分析圖５４新5KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框三維幾何模型圖55新5ＫWＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道三維模型圖54為新5ＫＷVＲＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框的三維幾何模型，依據(jù)該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,在ＡNＳYSworkｂeｎｃｈ中得到流道的三維模型,如圖５5所示.與多孔介質(zhì)域1、２相連的分別為２0個(gè)小支管，編號(hào)如圖５8所示。而且,引導(dǎo)流液進(jìn)、出多孔介質(zhì)的４０個(gè)小支管關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)。另外，與原５ＫＷVRＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框相比,新液流框在總支管與20個(gè)進(jìn)、出支管之間設(shè)置了緩沖區(qū)。圖５6新5KＷＶＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流場(chǎng)仿真邊界條件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到流道的有限元模型，邊界條件與仿真設(shè)置如圖56及表１3所示。表１3新5KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差I(lǐng)nlｅt1Inleｔ2wallOpenｉngOutlｅt１0１216０6９０．0８7．75no-ｓｌip０８7．７5４5529設(shè)置了邊界條件、仿真步長(zhǎng)和誤差掌握之后,進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，仿真結(jié)果見(jiàn)圖57—６0所示。圖57是新5KW液流框流道速度流線(xiàn)圖。圖58是新5ＫＷ液流框流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線(xiàn)圖。圖５９是新５ＫＷ液流框流道速度矢量圖。由仿真結(jié)果可知,壓力沿著流經(jīng)渠道降低，其中多孔介質(zhì)域的壓降很大,而進(jìn)、出母管中的壓降很小,可以忽視不計(jì),進(jìn)口相對(duì)壓力5５092Pa.整個(gè)流道中，緩沖區(qū)與支管連接處的流速最大。圖57新5KＷＶRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流線(xiàn)圖依據(jù)1．3。1中的定義，得到新5KWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框進(jìn)、出口各支管加權(quán)流量的分布情況，如圖60所示，其中縱坐標(biāo)為進(jìn)、出口各支管的加權(quán)質(zhì)量流量。從圖中可以得到,各支管的加權(quán)質(zhì)量流量在0．８-1.4之間，波動(dòng)較大，其進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的偏差為=1.676×10?10,最大誤差ｒ?yàn)椋矗福?。而?在支管１、７、14、20四個(gè)小支管處的流量偏差較大,從而造成了整個(gè)電極區(qū)的流量均勻性較差,必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn).圖58新5KＷVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖圖５９新５KWVRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框流道流速矢量圖圖6０新5KWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖新5KWVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)由上述分析可知,新５ＫＷＶＲB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)各小支管加權(quán)流量波動(dòng)較大，單電極電極區(qū)的流量均勻性較差，為了保證進(jìn)入電極工作面的液體流量分布較均勻,無(wú)貧液和積液區(qū)，必須對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖6１新5KＷＶＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三維模型圖本次優(yōu)化是建立在圖61所示的液流框三維模型基礎(chǔ)上的.為了削減設(shè)計(jì)變量，分別在進(jìn)、出多孔介質(zhì)處建立了孤立的、尺寸完全相同的兩組支管，每組10個(gè)，寬度都為3ｍｍ。而且，每一組的10個(gè)支管關(guān)于中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，如圖6２所示。因此，理論上，只需要五個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量就可以達(dá)到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖６２新5ＫWＶRＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖這四個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為:（1）支管１與中心線(xiàn)的距離,(２)支管2與中心線(xiàn)的距離為,（3）支管3與中心線(xiàn)的距離，(4）支管4與中心線(xiàn)的距離，（5）支管５與中心線(xiàn)的距離。如圖６2所示。每一次優(yōu)化都與上述儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的分析過(guò)程基本全都，如圖3２、圖64和表14所示。圖63新5ＫＷＶＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道三維模型圖6４新5ＫWVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)仿真邊界條件表14新5ＫWＶＲＢ儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差Ｉnｌｅｔ１Iｎｌｅt2wallOpｅｎinｇOutｌet８６40４１5９0.0８７。75no-sｌip087。７５45529經(jīng)過(guò)多次迭代與優(yōu)化后，得到設(shè)計(jì)變量的最佳值為：(1）支管１與中心線(xiàn)的距離１6.７5mm，（２)支管2與中心線(xiàn)的距離為50．2５mｍ，（３）支管3與中心線(xiàn)的距離８３.7５ｍm,(4）支管４與中心線(xiàn)的距離1１7．２５mm，（5）支管5與中心線(xiàn)的距離150。７5mｍ。優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見(jiàn)圖65-68,進(jìn)口壓力為5５201Pa。圖6５是新5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道速度流線(xiàn)圖。圖66是新５KＷ液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線(xiàn)圖。圖67是新5KW液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的流道速度矢量圖。圖65新5KＷVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道流線(xiàn)圖圖66新５ＫWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道多孔介質(zhì)處的流線(xiàn)圖從圖6８中可以看出,進(jìn)、出口各支管的加權(quán)流量在1.1１８－1.１３之間，波動(dòng)很小.依據(jù)１。3．1的定義得到進(jìn)、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的最大偏差為7.37×10?14,最大誤差r為0.９15％。因此，可以推斷，流液在多孔介質(zhì)（電極區(qū)）流量均勻性較好，不會(huì)消滅積液區(qū)與貧液區(qū)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有肯定可行性.圖６７新5ＫWVRB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道流速矢量圖圖68新5KWVＲB儲(chǔ)能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)出口各支管加權(quán)流量分布圖５ＫＷVRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的流場(chǎng)分析理論分析圖69三個(gè)單電池的VRB儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流道理論簡(jiǎn)化模型圖６9為三個(gè)單電池的VＲＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流道理論簡(jiǎn)化模型,A—D、B—E、Ｃ－Ｆ段為單電池部分，主要為多孔介質(zhì)滲流,因此,由公式（18、１9)可以得到水頭損失為：（25)(2６)其中：為第i個(gè)單電極進(jìn)出口處的高度差，由于電堆系統(tǒng)中每個(gè)單電極的結(jié)構(gòu)完全一樣,可知：(2７）A—B、B-C、Ｄ－E、E－F為母管部分，由公式（9)可得到：（28）其中，分別為對(duì)應(yīng)段的流量和壓差，為A-B、B－Ｃ、D－Ｅ、E－F對(duì)應(yīng)的高度差，由于母管是水平放置的,因此。公式（２8）可化為:(29)此管路為典型的環(huán)狀管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由公式（17），即任一封閉環(huán)內(nèi),水流由某一節(jié)點(diǎn)沿兩個(gè)方向流向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),兩方向的水頭損失應(yīng)相等,可得到：（３0）（3１）分析可知,在母管直徑與總流量較大，電池?cái)?shù)量不是格外多的時(shí)候,整個(gè)流道中的壓差主要來(lái)源于流液在多孔介質(zhì)中的滲流，即，又由公式（26、２９）可知，可以忽視不計(jì)，那么公式(３0、31）可化為：(32)（３３）得到：（34)又由公式(25）進(jìn)一步得到：（3５)其中:每個(gè)單電極的斷面面積、滲徑長(zhǎng)度、滲透系數(shù)均相等。所以（３6）即通過(guò)各個(gè)單電極的流速基本相等.本系統(tǒng)中的管路是上述模型的擴(kuò)展，如圖7０所示.圖７0n個(gè)單電池的VＲＢ儲(chǔ)能電池系統(tǒng)流道理論簡(jiǎn)化模型依據(jù)上面的推導(dǎo)得：(37）由上式可知,在母管直徑與總流量較大,電池?cái)?shù)量不是格外多的時(shí)候,每個(gè)單電池的流量基本相等。有限元仿真分析此電堆由四十個(gè)單電池組成,每個(gè)單電池又由