微射流微流体燃料电池内流动传输数值模拟
发布时间：2021-11-25 07:33
微流体燃料电池作为一种新型微型电源受到广泛关注,而阳极侧燃料传质限制是制约其性能提高的关键因素。本文对利用微射流强化燃料传质的空气自呼吸微流体燃料电池建立三维数学模型,研究了微射流几何结构参数对燃料传输及电池性能的影响规律。模拟结果表明:射流孔位于中下游位置时强化燃料传输效果较好;随射流孔数量增加,微射流作用区域逐渐增大,但射流平均速度逐渐降低,使得燃料传输和电池性能先强化后下降;射流孔直径增大导致射流平均速度减小,电池性能降低。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图２网格无关性验证??Ｆｉｇ．?２?Ｇｒｉｄ?ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??１．４模型验证??为验证上述模型的有效性，本文采用Ｚｈｏｕ等＿??
２２１６??工程热物理学报??０?５０?１００?１５０?２００?２５０?３００??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ／ｎｉＡ－ｃｍ－３??图２网格无关性验证??Ｆｉｇ．?２?Ｇｒｉｄ?ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??１．４模型验证??为验证上述模型的有效性，本文采用Ｚｈｏｕ等＿??的电池结构及实验工况开展数值模拟，并将模拟结??果与其实验数据进行对比，结果如图３所示．可以??看出，模型预测的极化曲线和功率密度曲线与实验??数据吻合良好。此外，还计算得到栗功为１．１２?ｎＷ，??而此时最高输出功率为６．２３?ｍＷ，对比可知泵功可??忽略不计。??层上边界处燃料浓度为〇，阴极气侧给定氧气质量分??数，其余均为不可渗透边界条件。设定阳极侧电位为??０Ｖ，阴极侧为电池输出电压，电池内部各个界面满??足电势连续条件，其余壁面均为绝缘边界条件。??１．３网格无关性验证??为避免网格数量对模拟结果的影响，采用网格??数分别为６０１４８４、７５１５６７、９０２９１１进行模拟计算？图??２所示为三种网格下模拟得到的极化曲线，可以看??出网格数置对模拟结果无影响。因此，本文选择网??格数为６０１４８４的网格进行计算。??１．０??０?５０?１００?１５０?２００?２５０?３００??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ／ｍＡ－ｃｍ－３??图４射流孔位置对电池性能的影响??Ｆｉｇ．?４?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｒｒｉｉｃｒｏｊｅｔ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｏｎ?ｃｅｌｌ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ??图５所示为电池电压为０．４?Ｖ时主流道内的燃??料浓度分布、射流中心截面处速度矢量分布和阳极??表面燃料平均浓度．从图５（
２２１８??工程热物理学报??４１卷??２．３射流孔直径的影响??射流孔直径对燃料传输及电池性能的影响如图??７所示。射流孔数量ｎ＝ｌ，位于ｉ＝１０?ｍｍ处。图７（ａ）??所示为０．４?Ｖ时阳极表面燃料浓度分布．可以看出，??燃料微射流作用区域内阳极表面浓度较大，表明微??射流强化了燃料传质。但随着射流孔直径逐渐变大，??其作用区域逐渐减小，对应的阳极表面燃料浓度也??逐渐减校这一结果与图７（ｂ）所示电池性能的变化??趋势一致。这主要是由于随着射流孔直径增大，其??平均射流速度降低，使得射流的对流传输作用减弱，??较难到达阳极表面。因此，应采用直径相对较小的??射流孔以提高射流的对流传输作用，从而更好地强??化燃料定向传质。但直径过小可导致较大的流动阻??力，而较大的射流速度也将强化电解液卷吸并稀释??燃料，不利于电池性能提升。??图７射流孔直径对阳极表面燃料浓度分布（ａ）以及电池性能??（ｂ）的影响＾电池电压为０．４?Ｖ??Ｆｉｇ．?７?Ｅｆｆｅｃｔ?ｏｆ?ｐｏｒｅ?ｄｉａｍｅｔｅｒ?ｏｎ?ｆｕｅｌ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ??ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ａｎｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?（ａ）?ａｎｄ?ｃｅｌｌ??ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?（ｂ）?ａｔ?０．４?Ｖ??３结论??本文以浸没微射流空气自呼吸微流体燃料电池??为研究对象，建立了电池内流动传输及反应的三维??数学模型，研究了微射流几何结构参数对强化燃料??传质以及电池性能的影响，王要结论如下：??１）射流开孔处于中下游位置时，能够较好地扰??动局部较厚的燃料浓度边界层，补充新鲜燃料，强??化燃料传输，使得电池性能得以提升。??２）当射流孔
本文编号：3517677
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图２网格无关性验证??Ｆｉｇ．?２?Ｇｒｉｄ?ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??１．４模型验证??为验证上述模型的有效性，本文采用Ｚｈｏｕ等＿??
２２１６??工程热物理学报??０?５０?１００?１５０?２００?２５０?３００??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ／ｎｉＡ－ｃｍ－３??图２网格无关性验证??Ｆｉｇ．?２?Ｇｒｉｄ?ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??１．４模型验证??为验证上述模型的有效性，本文采用Ｚｈｏｕ等＿??的电池结构及实验工况开展数值模拟，并将模拟结??果与其实验数据进行对比，结果如图３所示．可以??看出，模型预测的极化曲线和功率密度曲线与实验??数据吻合良好。此外，还计算得到栗功为１．１２?ｎＷ，??而此时最高输出功率为６．２３?ｍＷ，对比可知泵功可??忽略不计。??层上边界处燃料浓度为〇，阴极气侧给定氧气质量分??数，其余均为不可渗透边界条件。设定阳极侧电位为??０Ｖ，阴极侧为电池输出电压，电池内部各个界面满??足电势连续条件，其余壁面均为绝缘边界条件。??１．３网格无关性验证??为避免网格数量对模拟结果的影响，采用网格??数分别为６０１４８４、７５１５６７、９０２９１１进行模拟计算？图??２所示为三种网格下模拟得到的极化曲线，可以看??出网格数置对模拟结果无影响。因此，本文选择网??格数为６０１４８４的网格进行计算。??１．０??０?５０?１００?１５０?２００?２５０?３００??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ／ｍＡ－ｃｍ－３??图４射流孔位置对电池性能的影响??Ｆｉｇ．?４?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｒｒｉｉｃｒｏｊｅｔ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｏｎ?ｃｅｌｌ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ??图５所示为电池电压为０．４?Ｖ时主流道内的燃??料浓度分布、射流中心截面处速度矢量分布和阳极??表面燃料平均浓度．从图５（
２２１８??工程热物理学报??４１卷??２．３射流孔直径的影响??射流孔直径对燃料传输及电池性能的影响如图??７所示。射流孔数量ｎ＝ｌ，位于ｉ＝１０?ｍｍ处。图７（ａ）??所示为０．４?Ｖ时阳极表面燃料浓度分布．可以看出，??燃料微射流作用区域内阳极表面浓度较大，表明微??射流强化了燃料传质。但随着射流孔直径逐渐变大，??其作用区域逐渐减小，对应的阳极表面燃料浓度也??逐渐减校这一结果与图７（ｂ）所示电池性能的变化??趋势一致。这主要是由于随着射流孔直径增大，其??平均射流速度降低，使得射流的对流传输作用减弱，??较难到达阳极表面。因此，应采用直径相对较小的??射流孔以提高射流的对流传输作用，从而更好地强??化燃料定向传质。但直径过小可导致较大的流动阻??力，而较大的射流速度也将强化电解液卷吸并稀释??燃料，不利于电池性能提升。??图７射流孔直径对阳极表面燃料浓度分布（ａ）以及电池性能??（ｂ）的影响＾电池电压为０．４?Ｖ??Ｆｉｇ．?７?Ｅｆｆｅｃｔ?ｏｆ?ｐｏｒｅ?ｄｉａｍｅｔｅｒ?ｏｎ?ｆｕｅｌ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ??ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ａｎｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?（ａ）?ａｎｄ?ｃｅｌｌ??ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?（ｂ）?ａｔ?０．４?Ｖ??３结论??本文以浸没微射流空气自呼吸微流体燃料电池??为研究对象，建立了电池内流动传输及反应的三维??数学模型，研究了微射流几何结构参数对强化燃料??传质以及电池性能的影响，王要结论如下：??１）射流开孔处于中下游位置时，能够较好地扰??动局部较厚的燃料浓度边界层，补充新鲜燃料，强??化燃料传输，使得电池性能得以提升。??２）当射流孔
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