VRB儲能電池系統(tǒng)流場有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

PAGEVＲB儲能電池系統(tǒng)流場有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計重慶高校機械傳動國家重點實驗室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 問題描述 PAＧERＥF_Toｃ29023６8０0\ｈ4HYPERLINK\l＂＿Toc２90２3６8０1＂1.2 技術(shù)路線?PAGERＥＦ_Ｔｏｃ290236801\h5ＨYPERＬIＮK＼ｌ"_Toc290２36８02”1．3?評價指標 PＡGEＲＥF_Toc29０23６80２\h6HYＰERLINK1。３．1?單電極電極區(qū)流體流量均勻性的評價指標 PAGＥRＥF_Tｏc2902３6803\h6HYPERLＩNK\l＂_Toc290236804"１．3。2 各單電池之間流體流量均勻性的評價指標 PAGEREF_Tｏc２9０236804＼h7ＨＹPERＬINＫ\ｌ”_Tｏc290236805"１。4 流體力學理論 PAＧＥREF_Ｔｏc29023６805＼h７HＹPERLＩNＫ＼l＂_Toｃ2９０２3６806”1．4.1 抱負流體微小流束的伯努利方程 PＡGＥRＥF_Toｃ2９02３6８06\h7HYPERLIＮK\l”_Ｔｏc２９02３6807”１。４.2 管道計算?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)模型簡化 ＰＡGＥＲEF_Tｏc2９0236812\h13ＨYPERLINK＼l”_Ｔoｃ290２3681３”3。?６．5ＫWVRB儲能電池(測試堆)系統(tǒng)液流框流場有限元分析?PAＧＥREF_Toc290２3６8１３\ｈ1５ＨYPERＬINK\ｌ"_Ｔoｃ29０236814"4。 5ＫWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框流場有限元分析與優(yōu)化設(shè)計 PAGＥREF_Toc2902３６8１4\ｈ１8HYＰEＲLINK\l”＿Tｏc290２3６81５"4.1 5ＫＷVRB儲能電池系統(tǒng)液流框流場有限元分析 PAGEＲEF_Toc2９0２368１5＼ｈ18HYＰＥRＬIＮＫ\ｌ”_Toc290２36８16”４。2?5KWVRＢ儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計?PＡＧEＲEＦ_Toc290236816\ｈ20HYＰERLＩＮK\l＂_Tｏc290２36８17”4。2。１?5ＫWVＲB儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計一 ３６8１7\ｈ20HYＰERLＩＮＫ\l"_Tｏc２90236818"4.２。2 5KWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計二?PＡＧEＲEＦ_Toｃ2902３6818\h23HYＰERLIＮK＼l＂_Toc２9０２3６8１9"4。２。３?5ＫＷＶＲB儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計三 PAＧＥREF＿Tｏc2902３６81９\h26HYＰERLINK6. 5KWVRB儲能電池系統(tǒng)的流場分析 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?ＰAGERＥF_Toc290236828\h4０VRB儲能電池系統(tǒng)流場有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計PAGE39綜述問題描述釩氧化還原液流電池（簡稱VRB儲能系統(tǒng))是利用不同價態(tài)釩離子之間的氧化還原反應來實現(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)進液方式,本課題討論端進液方式。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。從儲液罐經(jīng)由電堆進液母管進入的流液，流經(jīng)三個縮管和若干個小支管,進入到由活性炭纖維氈填充的電極區(qū),進行化學反應，反應完的電解液通過若干個小支管和三個縮管再匯合到出液母管，從而流回到儲液罐。圖1ＶＲB儲能電池系統(tǒng)原理示意圖圖2電堆主體結(jié)構(gòu)示意圖對于整個儲能系統(tǒng)，每個單電池的功率應盡可能相等，即相同時間內(nèi)流經(jīng)每個單電池的流量應盡可能相同。而對于每個單電池，液流框是很重要的一個部件，液流框的流道結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對電解液在多孔電極區(qū)的流淌特性有很大影響,進而影響整個儲能電堆的性能。因此,本課題的目的在于提出5ＫＷVRＢ儲能電池系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，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儲能電池系統(tǒng)三維幾何模型（側(cè)端進液)圖46。5KWVRＢ儲能電池系統(tǒng)（測試堆)液流框三維幾何模型技術(shù)路線依據(jù)待解決的問題,制定簡略技術(shù)路線如下:a)依據(jù)6．5ＫWVRB儲能電池系統(tǒng)（測試堆）液流框三維幾何模型，建立流場分析有限元模型，分析單電極電極區(qū)流量均勻性;找出對流量均勻性貢獻度較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)；通過對測試堆的流場分析,掌握ＶRB儲能電池系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)律，為５KWＶＲＢ儲能電池系統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計供應依據(jù)。依據(jù)初始設(shè)計的５ＫWVＲB儲能電池系統(tǒng)液流框三維幾何模型,建立流場分析有限元模型,分析進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儲能電池系統(tǒng)液流框三維幾何模型參考對測試堆的流場分析所得到的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)律，依據(jù)初始設(shè)計的５KWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框的流場分析結(jié)果，提出液流框流道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，保證進入電極工作面的液體流量分布較均勻,無貧液和積液區(qū),結(jié)構(gòu)合理,易于密封?？紤]4０個單電池組成的儲能電池系統(tǒng)，首先進行理論分析,然后建立簡化的流場分析有限元模型,以電堆系統(tǒng)流量均勻性為優(yōu)化目標，母管管徑為設(shè)計變量，建立優(yōu)化模型，對輸入、輸出管道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。評價指標為了更好的評價流量的均勻性，提出評價流量均勻性指標。單電極電極區(qū)流體流量均勻性的評價指標１）定性評價：從流體仿真圖中進行直觀評判。2)定量評價：設(shè)計兩個量化指標,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個支管的理論供應寬度，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價指標設(shè)第個單電極的質(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理論抱負流體微小流束的伯努利方程流體的運動形式多種多樣、紛繁簡潔,但流體的運動是物質(zhì)運動的一部分，遵守能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,伯努利方程意在討論運動流體所具有的能量以及各種能量之間轉(zhuǎn)換規(guī)律。對于流線上的任意兩點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;、為兩點對應的壓力，、為流體沿流線方向的質(zhì)量流速.g為重力加速度，、為相對海拔高度。從能量的角度，為比位能,表示單位重量液體對于基準面的位能;為比壓能,表示單位重量液體所具有的壓力能，為動能，表示單位重量液體所具有的動能.上式為抱負流體運動微分方程沿著微小流束中的某一流線進行積分的結(jié)果。它表明白當質(zhì)量力只有重力時,單位質(zhì)量的抱負流體沿著某一條流線作定常運動時，運動要素z、ｐ、u之間的關(guān)系。管道計算管道計算是流體力學工程應用的一個重要方面，其目的是確定流量、管道尺寸和流淌阻力之間的關(guān)系。管道計算問題可分為三類：(１）已知流量和管道尺寸,計算壓力降;（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，計算管道尺寸.（1）簡潔管道的水力計算簡潔管路是指管道截面不變、無支路,輸送的流體質(zhì)量流量恒定的管路。圖6簡潔管道示意圖如圖6所示,由水池接出一根長為L和直徑為d的簡潔管路，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,。以通過管道出口斷面重心的水平面O-O為基準面,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,忽視很小的行進流速１,依據(jù)長管特征，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)，因此對不同粗糙度及不同直徑的管道，特性流量可預先計算列成數(shù)值表，這樣進行管路計算時就有很大的便利。（2)串聯(lián)管道的水力計算串聯(lián)管路是由幾個不同直徑的管段串聯(lián)在一起所組成.各簡潔管路內(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，實際上都是簡潔管路,任一管路的水頭損失為：(９）各管段的水頭損失之和應等于整個管路的作用水頭，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)性條件寫出，即：（1１）若ｑｉ=0，即沿程無流量分出,則,即有:(１2)（3)并聯(lián)管道的水力計算如果幾條簡潔管路或串聯(lián)管路的進口端與出口端分別連接在一起，就組成一個并聯(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)點分別為A、B，兩節(jié)點之間各管段直徑分別為ｄ1、d2、d3,通過的流量分別為Ｑ１、Ｑ2、Q３。節(jié)點Ａ、B分出流量分別為qＡ、ｑB，壓差為.一般來說ｑA、qB是不等于零的,幾個管段的流量是各不相同的。并聯(lián)管路一般按長管計算。并聯(lián)管路的水流特點是液體通過并聯(lián)段每一支管的水頭損失皆相等。節(jié)點A與節(jié)點B是各支管所共有的，若在Ａ、Ｂ兩點分別設(shè)置測壓管，則每一點只可能消滅一個測壓管水頭,其測壓管水頭差即是A、B間的水頭損失，即:（１３）各支管的流量與總流量間應滿意連續(xù)性方程。對節(jié)點AＱ4=qA+Ｑ１+Ｑ2＋Q3對節(jié)點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)管路水力計算的各種問題.這里需要指出的是:并聯(lián)管路各管段的水頭損失相等，只表明通過每一管段的單位重量液體的機械能損失相等。但由于通過各管段的流量并不肯定相等，所以各管段上的總機械能損失（全部液體重量）也不肯定相等,即流量大的管段，其機械能損失也大;反之亦然.（４）環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算環(huán)狀管網(wǎng)的計算比較簡潔。在計算環(huán)狀管網(wǎng)時，首先依據(jù)地形圖確定管網(wǎng)的布置及確定各管段的長度，依據(jù)需要確定節(jié)點的流量.依據(jù)經(jīng)濟流速決定各管段的通過流量,并確定各管段管徑及計算水頭損失.環(huán)狀管網(wǎng)的計算必須遵循下列兩個原則：（1)在各個節(jié)點上流入的流量等于流出的流量,如以流入節(jié)點的流量為正,流出節(jié)點的流量為負，則兩者的總和應為零。即(16）（2)在任一封閉環(huán)內(nèi)，水流由某一節(jié)點沿兩個方向流向另一個節(jié)點時,兩方向的水頭損失應相等.如以水流順時針方向的水頭損失為正,逆時針方向的水頭損失為負，則二者的總和應為零。即（17)多孔介質(zhì)中的滲流最早,法國工程師達西(Ｈ．Darｃy）在垂直圓管中裝沙進行滲透實驗(如圖9所示）,實驗結(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，反比于滲徑長度；引入決定于土粒結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)的一個常數(shù)時，則達西定律可寫為（１８)對于滲流來說，流速水頭可以忽視,故測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達西滲透實驗示意圖由（19)得到（20)其中，,k為滲透系數(shù)。活性碳纖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)的宏觀橫斷面面積，Q-—通過多孔介質(zhì)的體積流速。依據(jù)達西定律適用范圍的確定,若Re＜5,此流體為線性阻力關(guān)系的層流運動,為典型的達西流[３].滿意達西定律，其一般形式依據(jù)坐標分方向列出,方向的表達式如下：(22）——動力粘度,——滲透率，——損失系數(shù)。其中第一項表示粘性阻尼力所造成的壓降梯度，其次項是慣性力所造成的壓降梯度.當多孔介質(zhì)中流體流淌的雷諾數(shù)很小時,流體的慣性能可以忽視不計,即=0，那么把與宏觀流淌方向正交的兩個平面的壓力差，令其等于這兩個平面間的全部單元的粘性阻尼力，就可以得到下面的計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）計算得到.多孔介質(zhì)模型的簡化依據(jù)供應的6．5ＫＷＶRB儲能電池（測試堆)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儲能電池（測試堆)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,而為了保證流體計算模擬仿真的精確性，在厚度方向上至少應該有７層單元。如果不進行簡化,單元數(shù)將至少達到４０00萬。因此，必須在不影響影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上對模型進行相應簡化。流體在多孔介質(zhì)中均勻滲流有限元分析為了找出簡化模型的方法,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，建立的長方體，電解液從一端均勻的滲透到另一端。對其進行網(wǎng)格劃分,并施加邊界條件如下：有限元模型：對模型進行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型，網(wǎng)格數(shù)為1０025６１。進口（inlet）:假設(shè)進口速度均勻分布,且無徑向重量。進口質(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沒有滑移（沒有運動,沒有壁面速度）,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)：出口處相對壓力為０Pa。參考壓力：１atm重力：9.８m/s滲透率：為了留肯定的簡化余度，此處對滲透率進行了肯定程度的擴大，取K=2。5×10由公式（21）計算得到Rｅ＜<5［４],因此，多孔介質(zhì)區(qū)域為典型的達西層流，見圖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)進口流速壁面設(shè)置出口壓力重力m/參考壓力aｔmwall1Ｗall210０2５610．1511７１no－sliｐfrｅｅ－sliｐ0９．81設(shè)置了邊界條件、仿真步長和誤差掌握等之后，對模型進行求解,結(jié)果見圖１２所示。從仿真結(jié)果中可以得到，當流液在多孔介質(zhì)中均勻滲流時，其壓降隨著路徑的增長而線性增大，這與理論分析的結(jié)果(公式(2２))是全都的。對于的長方體,電解液在其長度方向上的壓降為47３0．1Pa,從而得到單位長度上的壓降為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，其值為均勻滲流時單位長度上的壓降與刪除段長度的乘積。多孔介質(zhì)模型簡化基于上述思想,我們可以對單電極的多孔介質(zhì)區(qū)域進行簡化，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)的長度，建立了如圖13所示的模型。在沒有刪除均勻滲流段時,多孔介質(zhì)部分為的長方體.對此模型進行網(wǎng)格劃分，而后進行仿真設(shè)置如下。有限元模型：對模型進行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，網(wǎng)格數(shù)為1０0８０22６。進口（ｉnｌｅt）：假設(shè)進口速度均勻分布，且無徑向重量。進口質(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沒有滑移（沒有運動,沒有壁面速度)，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）：出口處相對壓力為０Pａ。參考壓力：1atm重力：９。8m/s連接:多孔介質(zhì)域之間進行連接，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單位長度上的壓降（63。０67Ｐa/mｍ)與刪除段的長度（７５0mm—L1－L2)乘積.滲透率：為了留肯定的簡化余度,此處對滲透率進行了肯定程度的擴大，取K=2。5×10由公式（2１）計算得到Re〈<５［4],因此，多孔介質(zhì)區(qū)域為典型的達西層流。仿真設(shè)置如表4所示。表4多孔介質(zhì)簡化模型的仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進口流速壁面設(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)簡化模型邊界條件圖１5時的模型流線圖設(shè)置了邊界條件、仿真步長和誤差掌握等之后,對模型進行求解,沒有刪除均勻滲流段時的仿真結(jié)果如圖１５所示.從圖中可以看出,流液進入到多孔介質(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行飛快收縮。因此，中間很長一段均勻滲透區(qū)域都可以進行刪除處理。當（即沒有刪除均勻滲流段）時，進口壓力為5４87０Pa。設(shè)刪除均勻滲流段后進口壓力為,以L1、L2為設(shè)計變量，以最小為優(yōu)化目標，以(2４)為約束條件,進行優(yōu)化,得到。因此，在后面的仿真計算中，可以把電極區(qū)的多孔介質(zhì)域簡化成為的兩個相連域，并在連接面上施加肯定的壓力差。6.５KWVRB儲能電池(測試堆）系統(tǒng)液流框流場有限元分析依據(jù)6．５KWＶRB儲能電池（測試堆）系統(tǒng)液流框的三維模型,并在前一章的基礎(chǔ)上進行簡化，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個小支管，編號如圖20所示，且引導流液進、出多孔介質(zhì)的４0個小支管關(guān)于x軸對稱。圖166。５ＫWＶRB儲能系統(tǒng)液流框流道三維模型對其進行網(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：對模型進行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型，網(wǎng)格數(shù)為１４944074。進口(inlet）:假設(shè)進口速度均勻分布，且無徑向重量。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沒有滑移（沒有運動,沒有壁面速度),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處相對壓力為0Pa,而在outlet２和ｏutｌet3處供應其余２9個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。參考壓力:1atm重力：9。8m/s連接:多孔介質(zhì)域之間進行連接,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單位長度上的壓降(63．067Ｐa/mｍ）與刪除段的長度（7５0mｍ-L1－Ｌ2）乘積。滲透率:為了留肯定的簡化余度，此處對滲透率進行了肯定程度的擴大，取K=2。５×10由公式（２1)計算得到Re〈〈5[４],因此，多孔介質(zhì)區(qū)域為典型的達西層流。邊界條件與仿真設(shè)置見圖１8和表5.圖１８6。5KWＶRB儲能系統(tǒng)液流框流道流場仿真邊界條件表56.５ＫWVＲＢ儲能系統(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儲能系統(tǒng)液流框流道流線圖設(shè)置好邊界條件、仿真步長和誤差掌握等之后，進行模擬仿真計算,仿真結(jié)果如圖19－2２所示。圖１9是液流框流道速度流線圖。圖20是液流框流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線圖。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儲能系統(tǒng)液流框流道多孔介質(zhì)處的流線圖圖２1６．5KWＶRB儲能系統(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、出母管中的壓降很小,可以忽視不計,進口相對壓力5９8０４Pa。整個流道中，六個縮管處的流速最大;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儲能系統(tǒng)液流框進出口各支管加權(quán)流量，如圖23所示，縱坐標為各個支管的加權(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,波動較大，其進、出口各個支管的加權(quán)質(zhì)量流量偏差均為=，最大誤差r為34%,這勢必導致單電極電極區(qū)中液流流量均勻性較差.圖23６.５KWVRB儲能系統(tǒng)液流框進出口各支管加權(quán)流量分布圖５KＷVRB儲能電池系統(tǒng)液流框流場有限元分析與優(yōu)化設(shè)計5ＫWVＲB儲能電池系統(tǒng)液流框流場有限元分析圖2４5ＫＷVRＢ儲能系統(tǒng)液流框流道三維模型依據(jù)5KWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框的三維模型,并進行簡化，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個小支管，編號如圖27所示,且引導流液進、出多孔介質(zhì)的３4個小支管關(guān)于x軸對稱。圖255KWVＲＢ儲能系統(tǒng)液流框流道流場仿真邊界條件對其進行網(wǎng)格劃分，得到流道的有限元模型，邊界條件與仿真設(shè)置與測試堆相像，如圖25及表6所示。表65KWＶＲＢ儲能系統(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、仿真步長和誤差掌握等之后，進行模擬仿真計算，仿真結(jié)果見圖26-28所示。圖２6是5KW液流框流道速度流線圖。圖27是５ＫW液流框流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線圖。圖28是5ＫW液流框流道速度矢量圖。圖２65ＫWVＲB儲能系統(tǒng)液流框流道流線圖由仿真結(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、出母管中的壓降很小,可以忽視不計，進口相對壓力３794２Pａ。整個流道中,六個縮管處的流速最大,而多孔介質(zhì)域的體積較大，流速很小。圖２75KＷＶＲB儲能系統(tǒng)液流框流道多孔介質(zhì)處的流線圖圖285ＫWVＲB儲能系統(tǒng)液流框流道流速矢量圖依據(jù)1。3.１中的定義,得到5ＫWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框進、出口各支管加權(quán)流量的分布情況，如圖29所示,其中縱坐標為進、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,波動較大，其進、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%。這勢必導致單電極電極區(qū)中液流流量均勻性較差，必須進行結(jié)構(gòu)改進.圖２９5ＫWVRB儲能系統(tǒng)液流框進出口各支管加權(quán)流量分布圖５KWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計由上述分析可知，原5ＫWVRB儲能電池系統(tǒng)各小支管加權(quán)流量波動較大，單電極電極區(qū)的流量均勻性較差，為了保證進入電極工作面的液體流量分布較均勻，無貧液和積液區(qū)，必須對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.本節(jié)分別采納三組不同的設(shè)計變量，提出了三種優(yōu)化設(shè)計方案。5ＫWＶＲＢ儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計一圖305KWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計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)計變量,分別在進、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,寬度都為3mm。而且，每一組的六個支管關(guān)于中心線對稱,如圖31所示。因此，理論上,只需要四個優(yōu)化設(shè)計變量就可以達到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計目標。圖31５KWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一中的設(shè)計參數(shù)示意圖這四個優(yōu)化設(shè)計變量為：（1)單支縮管寬度,(2）支管1與中心線的距離，（３）支管2與中心線的距離,(4）支管３與中心線的距離，如圖31所示。每一次優(yōu)化都與上述原儲能電池系統(tǒng)的分析過程基本全都，如圖3２、圖33和表7所示。圖325KＷVＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一流道三維模型圖335KＷVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一流場仿真邊界條件表75KＷＶRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差Ｉnlet１Iｎlet２Ｉｎlet３ｗallOｐenｉnｇＯuｔlｅt2Ｏutlet3107８１０１06１.539。９75１9.9875nｏ－sｌｉp039。9７５1９.９８75３１572經(jīng)過多次迭代與優(yōu)化后，得到設(shè)計變量的最佳值為：（1)單支縮管寬度為８mｍ,(2）支管１與中心線的距離為1４.76mm,（3）支管2與中心線的距離4４.２４mｍ,(４)支管3與中心線的距離７３.7３ｍｍ。優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見圖3４－３7，進口壓力為３8774Pａ。圖34是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計方案一的流道速度流線圖。圖3５是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計方案一的流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線圖。圖36是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計方案一的流道速度矢量圖。圖34５KWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一流道流線圖圖355ＫＷVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一流道多孔介質(zhì)處的流線圖從圖３7中可以看出,進、出口各支管的加權(quán)流量在0．８5３-0.856之間，波動很小。依據(jù)1.３．1的定義得到進、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,不會消滅積液區(qū)與貧液區(qū)，優(yōu)化設(shè)計方案一具有肯定可行性。圖365ＫWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一流道流速矢量圖確定優(yōu)化方案之后,為了探究流速波動對流量均勻性的影響,分別施加不同進口流速,并進行有限元仿真計算。仿真結(jié)果見表8所示，可知：進口流量對進、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的最大誤差r基本沒有影響。因此，肯定范圍的流速波動對電極區(qū)的流量均勻性沒有影響.圖３7５KＷVＲＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案一進出口各支管加權(quán)流量分布圖表8不同進口流速對流量均勻性的影響進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儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計二圖385ＫＷＶRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二的三維模型圖本次優(yōu)化設(shè)計是建立在圖３8所示的液流框三維模型基礎(chǔ)上的。為了削減設(shè)計變量，分別在進、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，寬度均為3ｍm，縮管的尺寸也完全相同。而且,每一組的八個支管關(guān)于中心線對稱，如圖３9所示.因此,理論上,只需要轉(zhuǎn)變四個同質(zhì)的（均為支管與中心線的距離)優(yōu)化設(shè)計變量，就可以達到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計目標。圖3９5KWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二的設(shè)計參數(shù)示意圖這四個優(yōu)化設(shè)計變量分別為：(1)支管1與中心線的距離,(2）支管２與中心線的距離,(3）支管3與中心線的距離,（４)支管４與中心線的距離，如圖3９所示。每一次優(yōu)化都與上述原儲能電池系統(tǒng)的分析過程基本全都，邊界條件與仿真設(shè)置見圖41和表９。圖４05ＫWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二的流道三維模型圖４15ＫWＶRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二流場仿真邊界條件表95KWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進口流速壁面設(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)過多次迭代與優(yōu)化后，得到四個設(shè)計變量的最佳值為:(1）支管1與中心線的距離16.7ｍｍ，（2）支管2與中心線的距離５0。１5mｍ，(３)支管3與中心線的距離83.5５mｍ,（4)支管４與中心線的距離116。８5mｍ。優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見圖42-45，且進口壓力為396０３Pa.圖４２是５KW液流框優(yōu)化設(shè)計方案二的流道速度流線圖。圖4３是5KW液流框優(yōu)化設(shè)計方案二的流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線圖。圖44是5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計方案二的流道速度矢量圖.圖42５KWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二流道流線圖從圖45中可以看出,進、出口各支管的加權(quán)流量在0．９58-0。9６4之間，波動很小.依據(jù)１。3．1的定義得到進、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，不會消滅積液區(qū)和貧液區(qū)，優(yōu)化設(shè)計方案二具有肯定可行性。圖43５ＫWＶRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二流道多孔介質(zhì)處的流線圖圖445KWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二流道流速矢量圖確定優(yōu)化方案二之后,為了探究流速波動對流量均勻性的影響,分別施加不同進口流速,并進行有限元仿真計算。仿真結(jié)果見表10所示?？芍哼M口流速對進、出口各支管加權(quán)質(zhì)量流量的最大誤差ｒ基本沒有影響.因此，肯定范圍的流速波動對電極區(qū)的流量均勻性沒有影響。圖４55KWＶRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案二進出口各支管加權(quán)流量分布圖表1０不同進口流速對流量均勻性的影響進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儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計三圖465ＫＷVＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三的三維圖本次優(yōu)化設(shè)計是建立在圖4６所示的液流框三維模型基礎(chǔ)上的。為了削減設(shè)計變量,分別在進、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，寬度都為3mｍ，縮管的尺寸也完全相同。每一組的十個支管關(guān)于中心線對稱，如圖４７所示。因此，理論上僅需要轉(zhuǎn)變五個同質(zhì)的（均為支管與中心線的距離）優(yōu)化設(shè)計變量，就可以達到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計目標。圖475ＫWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三的設(shè)計參數(shù)示意圖圖485KWVＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三流道三維模型圖495KWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三流道流場仿真邊界條件這五個優(yōu)化設(shè)計變量分別為:（1）支管1與中心線的距離，(2）支管2與中心線的距離，（３)支管3與中心線的距離,(4)支管4與中心線的距離，(5)支管5與中心線的距離，如圖４７所示。每一次優(yōu)化都與上述原儲能電池系統(tǒng)的分析過程基本全都,邊界條件和仿真設(shè)置如圖4８、圖49和表1１所示。表115ＫＷＶRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差I(lǐng)nlet１Inlet2ｗallＯpeningOutlet8６00717６１．５5９。９625ｎo—slip０59。９625３1５14經(jīng)過多次迭代與優(yōu)化后,得到設(shè)計變量的優(yōu)化值為:（1）支管1與中心線的距離1３．4mm，（２)支管２與中心線的距離40.2ｍm，（３)支管3與中心線的距離６7mｍ，(４）支管４與中心線的距離９3.8mm，(4）支管5與中心線的距離1２0．6mｍ.優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見圖5０-5３。其中，進口壓力為3８229Pａ。圖５05KWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三流道流線圖從圖5２中可以看出，進、出口各支管的加權(quán)流量在0．7６5-0。7７5之間，波動范圍很小,依據(jù)１．3。１的定義得到進、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儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三流道多孔介質(zhì)處的流線圖圖525KWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三進出口各支管加權(quán)流量分布圖圖535KＷＶＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案三流道流速矢量圖５KＷＶRB儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案的比較表１2為不同優(yōu)化設(shè)計方案的對比。由表可知：三種優(yōu)化設(shè)計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題。雖然三種方案的結(jié)果有細微的差別，但這種差別很小。因此,我們應該更多的從制造、加工成本的角度來確定最終的方案.明顯地,優(yōu)化設(shè)計方案三相比于其它兩個方案：（1）只有兩個母管；(2）母管到電極區(qū)之間的流道較簡潔,加工更容易。因此，方案三應優(yōu)于方案一和方案二。表12不同優(yōu)化設(shè)計方案的比較方案偏差最大誤差r%進口壓力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儲能電池系統(tǒng)液流框流場有限元分析與優(yōu)化設(shè)計新5KＷＶRＢ儲能電池系統(tǒng)液流框流場有限元分析圖５４新5KWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框三維幾何模型圖55新5ＫWＶRB儲能系統(tǒng)液流框流道三維模型圖54為新5ＫＷVＲＢ儲能電池系統(tǒng)液流框的三維幾何模型，依據(jù)該模型進行簡化,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個小支管，編號如圖５8所示。而且,引導流液進、出多孔介質(zhì)的４０個小支管關(guān)于x軸對稱。另外，與原５ＫＷVRＢ儲能電池系統(tǒng)液流框相比,新液流框在總支管與20個進、出支管之間設(shè)置了緩沖區(qū)。圖５6新5KＷＶＲＢ儲能系統(tǒng)液流框流道流場仿真邊界條件對其進行網(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、仿真步長和誤差掌握之后,進行模擬仿真計算，仿真結(jié)果見圖57—６0所示。圖57是新5KW液流框流道速度流線圖。圖58是新5ＫＷ液流框流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線圖。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、出母管中的壓降很小,可以忽視不計,進口相對壓力5５092Pa.整個流道中，緩沖區(qū)與支管連接處的流速最大。圖57新5KＷＶRB儲能系統(tǒng)液流框流道流線圖依據(jù)1．3。1中的定義，得到新5KWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框進、出口各支管加權(quán)流量的分布情況，如圖60所示，其中縱坐標為進、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，波動較大，其進、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為４８％。而且,在支管１、７、14、20四個小支管處的流量偏差較大,從而造成了整個電極區(qū)的流量均勻性較差,必須進行結(jié)構(gòu)改進.圖58新5KＷVRB儲能系統(tǒng)液流框流道多孔介質(zhì)處的流線圖圖５９新５KWVRＢ儲能系統(tǒng)液流框流道流速矢量圖圖6０新5KWVRB儲能系統(tǒng)液流框進出口各支管加權(quán)流量分布圖新5KWVRB儲能電池系統(tǒng)液流框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計由上述分析可知,新５ＫＷＶＲB儲能電池系統(tǒng)各小支管加權(quán)流量波動較大，單電極電極區(qū)的流量均勻性較差，為了保證進入電極工作面的液體流量分布較均勻,無貧液和積液區(qū)，必須對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。圖6１新5KＷＶＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計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)計變量，分別在進、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，寬度都為3ｍｍ。而且，每一組的10個支管關(guān)于中心線對稱，如圖6２所示。因此，理論上，只需要五個優(yōu)化設(shè)計變量就可以達到各支管加權(quán)流量偏差最小的設(shè)計目標。圖６２新5ＫWＶRＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)示意圖這四個優(yōu)化設(shè)計變量為:（1）支管１與中心線的距離,(２)支管2與中心線的距離為,（3）支管3與中心線的距離，(4）支管4與中心線的距離，（5）支管５與中心線的距離。如圖６2所示。每一次優(yōu)化都與上述儲能電池系統(tǒng)的分析過程基本全都，如圖3２、圖64和表14所示。圖63新5ＫＷＶＲＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案流道三維模型圖6４新5ＫWVＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案流場仿真邊界條件表14新5ＫWＶＲＢ儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案仿真設(shè)置有限元模型邊界條件網(wǎng)格數(shù)進口流速壁面設(shè)置出口壓力與流速連接處壓差Ｉnｌｅｔ１Iｎｌｅt2wallOpｅｎinｇOutｌet８６40４１5９0.0８７。75no-sｌip087。７５45529經(jīng)過多次迭代與優(yōu)化后，得到設(shè)計變量的最佳值為：(1）支管１與中心線的距離１6.７5mm，（２)支管2與中心線的距離為50．2５mｍ，（３）支管3與中心線的距離８３.7５ｍm,(4）支管４與中心線的距離1１7．２５mm，（5）支管5與中心線的距離150。７5mｍ。優(yōu)化后的仿真結(jié)果與各支管加權(quán)流量分布見圖65-68,進口壓力為5５201Pa。圖6５是新5ＫW液流框優(yōu)化設(shè)計方案流道速度流線圖。圖66是新５KＷ液流框優(yōu)化設(shè)計方案流道多孔介質(zhì)區(qū)域的速度流線圖。圖67是新5KW液流框優(yōu)化設(shè)計方案的流道速度矢量圖。圖65新5KＷVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案流道流線圖圖66新５ＫWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案流道多孔介質(zhì)處的流線圖從圖6８中可以看出,進、出口各支管的加權(quán)流量在1.1１８－1.１３之間，波動很小.依據(jù)１。3．1的定義得到進、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，不會消滅積液區(qū)與貧液區(qū)，優(yōu)化設(shè)計方案具有肯定可行性.圖６７新5ＫWVRB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案流道流速矢量圖圖68新5KWVＲB儲能系統(tǒng)液流框優(yōu)化設(shè)計方案進出口各支管加權(quán)流量分布圖５ＫＷVRB儲能電池系統(tǒng)的流場分析理論分析圖69三個單電池的VRB儲能電池系統(tǒng)流道理論簡化模型圖６9為三個單電池的VＲＢ儲能電池系統(tǒng)流道理論簡化模型,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個單電極進出口處的高度差，由于電堆系統(tǒng)中每個單電極的結(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，分別為對應段的流量和壓差，為A-B、B－Ｃ、D－Ｅ、E－F對應的高度差，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)點沿兩個方向流向另一個節(jié)點時,兩方向的水頭損失應相等,可得到：（３0）（3１）分析可知,在母管直徑與總流量較大，電池數(shù)量不是格外多的時候,整個流道中的壓差主要來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，那么公式(３0、31）可化為：(32)（３３）得到：（34)又由公式(25）進一步得到：（3５)其中:每個單電極的斷面面積、滲徑長度、滲透系數(shù)均相等。所以（３6）即通過各個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展，如圖7０所示.圖７0n個單電池的VＲＢ儲能電池系統(tǒng)流道理論簡化模型依據(jù)上面的推導得：(37）由上式可知,在母管直徑與總流量較大,電池數(shù)量不是格外多的時候,每個單電池的流量基本相等。有限元仿真分析此電堆由四十個單電池組成,每個單電池又由