复杂流道燃料电池解决方案 Release 2023R1 广州阳普智能系统科技有限公司 杨志冬 1 大纲 • Overview • SpaceClaim 前处理 • Fluent Meshing 网格生成 • Fluent求解设置及后处理 Overview • 阳极侧： ‐ 加湿氢气在50%的相对湿度、60℃的温度和150 kPa的绝对压力下进入阳极入口 ‐ 对于2A/cm2的电流密度，混合物的流速固定在1.5的化学计量比 • 阴极侧 ‐ 加湿空气进入阴极入口时，相对湿度为50%，温度为60℃，绝对压力为150 kPa ‐ 对于2A/cm2的电流密度，混合物的流速固定在2.5的化学计量比。 ‐ Membrane面积为20cm^2 燃料电池几何切分面视图 3 网格划分策略 在阴极和阳极的气路和双极板区域生成 Poly多面体网格 膜电极位置通过Fluent Meshing 的水密几何工作流当中的 Multizone功能生成六面体网格 接触面区域设置为非公节点的interface • 尽管这个模型同时可以生成共节点网格，但是对于工程实际应用，共节点网格的生成 可能存在相对困难的情况 • 因此，本教程主要介绍如何通过新版本的Fluent Meshing生成复杂几何的网格划分 4 SpaceClaim 前处理 几何分组 拓扑规则 命名 5 几何说明 • 文档中包含已经处理好的模型文件PEMFC_Multizone_mesh.mesh,可以直接用来 划分网格。 • 所有的实体分成两个Components Activezone ：其中把膜电极区域，包括气体扩散层、 催化剂层、微孔层（如果有）、Membrane。这部分 结构为薄体，将在后续通过Fluent meshing 的 Multizone功能生成六面体网格 Channel：气体流道和双极板将生成Poly多面体网格 6 分组拓扑 • 通过单独显示Activezone区域，显示膜电极实体，点击Workbench下面的share拓 扑选项，将显示区域的实体进行拓扑。 同理，单独显示channle区域，将流道和双极板进行拓扑 7 命名 • 将燃料电池阴极阳极入口和出口，以及两侧的电极进行命名 Interface面命名 • 将刚才分别拓扑的两组结构的上下接触面进行命名，后续在Fluent中进行 interface的创建 9 边命名 • 厚度方向的所有边进行命名，膜电极每层结构的边只需要一个命名，可以在后 续通过Multizone进行边的网格划分，通过设置相关参数来控制层数等提升网格 精度 10 Fluent Meshing 网格生成 Multizone Mesh 11 启动Fluent Meshing • 启动Fluent Meshing 的水密几何工作流程 12 网格划分策略 • 网格划分策略回顾 13 FM-水密几何网格划分 • 选择Watertight Geometry 工作流程读取模型文件， 导入模型 • FM基本功能此处略过， • 在Describe Geometry下，按 照右图勾选，不选择拓扑， 勾选Multizone Meshing 功 能 • 完成点击Describe Geometry 14 边界-区域-边界层定义 边界条件 修正相关边界类型，保持interface的面是wall面，后 续在Fluent求解器中进行interface创建 15 区域类型修正 修正region类型 区域类型修正 设置流道边界层 增加Multizone • 选择膜电极区域所有层 • 这一步需要选择所有将要生成六 面体网格的区域 16 层数设置 • 选择Edge • 勾选在前处理命名好的 anode-gdl-edge • 设置interval 个数为7，Bias Factor 设置为4 • 同理设置cathode-gdl-edge • Catalyst， pem的层数依次 进行设置 17 生成六面体网格 • 点击Generate the Multizone Mesh • 勾选所有的区域 • 点击Generate the Multizone Mesh 膜电极生成六面体网格，其他区域是面网格 18 生成Poly网格 • 点击Generate the Volume Mesh • 将流道和双极板生成多面体网格 • 点击File-write-mesh，保存网格文件 19 网格展示 共节点网格 非共节点网格 20 Fluent 求解设置 通过Journal文件自动修改设置，获取IV曲线 21 单电池入口条件计算 • 打开Fluent，读入处理好的网格文件，设置PEMFC模型相关内容，此处忽略。 • 根据输入通过Fluent PEMFC模块的计算器，计算Fluent所需的入口条件,并将以下 数据输入到入口边界 22 Report • 右键Report definition 选择Import From file ，读入report-definitions-tutorial文件， 将自动添加相关监控数据 • 创建电流监测Report，方便后续写出电压电流值获取IV数据，对应Journal里面的 “current-op” 23 初始化 • 设置PEMFC模型，边界条件 • 初始化，温度353.15 • 点击File –Read-journal 把文件PEMFC_NCI_Tutorial_Journal.jou读进去，Fluent进行 自动计算, • 其中计算过程的策略调整如下，可以根据具体情况进行journal的修改 24 Journal • Journal 设置了以上求解模型关闭开启动作，并且重复以上动作从1V开始求解 0.8V,0.7V,0.6V,0.5V,0.4V,0.3V. • 并写出极化曲线数据pol_curve.xy 25 Journal 介绍 26 收敛 • 下图显示了每个电压电平的残差。在200次迭代中，残差下降了几个数量级，表 明收敛性良好。 27 后处理 • 通过journal文件可以实现计算策略，自动生成IV数据,在Plot下面读入 pol_curve_xy文件，点击plot生成1V-0.3V的极化曲线 28 监控数据-氢气氧气利用率 • 报告图为氢气和氧气利用率的百分比。对于较高的电流密度（对于较低的电 压），利用率%较高。 29 数据可视化 • 云图展示：燃料电池特定变量可在UDM和UDS下找到。 30 阳极侧 31 氢气摩尔分数 相对湿度（GDL） 液态饱和水 电流密度 阴极侧 32 氧气摩尔分数 相对湿度 液态饱和度 电流密度 Summary • Ansys Fluent 2023R1 可以进行详细的3D PEM电池电化学仿真 • 网格可以完全通过Fluent Meshing进行处理，生成非共节点网格. • 极化曲线可以通过计算从高电压值到低电压值获取. • 主要介绍了复杂几何，在很多情况下难以生成六面体网格的时候，如何通过FM 生成非共节点网格进行燃料电池计算。 33 附件链接 • 链接：https://pan.baidu.com/s/11uBGoDBVppw14nsewXdRxA 提取码：6eeb • 或微信扫码（需百度网盘与微信关联） 34 35