不同集流方式下对称双阴极固体氧化物燃料电池的电-化-热-力数值模拟及失效分析

本文围绕新型对称双阴极固体氧化物燃料电池电堆单元在不同集流位置下热应力分布情况和优化集流方式,建立了一个基于电-化-热-力多场耦合理论的三维SOFC电堆单元数值模型.引入固体力学热-力学理论,结合Weibull失效概率分析方法,讨论了不同集流方式对SOFC内部应力分布及失效的影响.研究结果表明,双侧阴极同时开展电子集流方式下的电解质平均电流密度比单侧单一集流方式下高,改变阳极集流位置会改变电极高温区的分布;SOFC电堆单元上电极结构处的最大主应力明显大于其他组件上的最大主应力;阳极集流位置设置在阳极气体入口处时电极结构上的最大主应力和失效概率大于集流位置设置在阳极气体出口处的最大主应力和失效概率.     

基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况,从而影响电化学性能,对相关制造工艺提出了很大的挑战.为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响,揭示其潜在的风险,我们建立了两个基于有限元法的仿真模型,对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析.在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上,首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型,分析封装过程中接触压力的分布情况.然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中,模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能.计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况.通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度,分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响.结果表明,燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态,需要比凸起面更大的封装压力.燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化,产生局部高电流或低电流.这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性,为今后的优化工作奠定了基础.     

固体氧化物燃料电池宏观力学效应研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效且具有广泛应用前景的绿色发电装置. SOFC采用了陶瓷材料电极和电解质并在高温下工作, 力学损伤是造成其性能和寿命衰减的主要因素之一. 由于实验测试的局限性, 基于宏观力学模型的数值模拟是优化SOFC电池和电堆结构、提高其性能和耐久性的重要手段. 本文综述并评价了SOFC宏观力学效应的研究进展, 介绍了SOFC在制造、正常运行和长期工作的不同阶段受到的残余应变、阳极氧化应变、化学膨胀、工作热应变以及蠕变等力学效应. 总结了各种力学效应以及目前关注较少的电化力耦合效应的理论和数值模拟研究现状, 最后展望了SOFC宏观力学性能研究的发展前景.      

带有中间裂纹载流薄板放电瞬间耦合场的数值模拟

应用耦合场理论采用数值分析的方法计算了具有中间裂纹的导电薄板在放电瞬间裂纹尖端区域附近的温度场、温度梯度场的分布状态.计算结果表明:由于电流产生的焦耳热源的作用,裂纹尖端处温度瞬时急剧升高,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口,裂纹前缘的曲率半径增加了几个数量级,显著地减少了应力集中,阻止了干线裂纹源的形成,有效地遏制了裂纹的扩展.数值模拟采用了热-电耦合的分析方法, 考虑了材料电阻随温度变化和电流流过生成的内热源间的相互作用,同时考虑了导热系数和比热随温度变化所产生的影响.对于具有中间裂纹的载流薄板,根据结构、材质、边界条件及通电电流的对称性,计算得到了两个裂纹尖端完全对称的结果.     

精密离心机流-热-固多场耦合计算方法

离心机是惯性导航系统加速度计的标定设备,转盘变形将严重影响标定精度。基于耦合理论研究了离心机流-热-固多场耦合问题的数值计算方法,分析了此类问题的全耦合数学模型,研究了求解数学方程的强、弱耦合算法及其应用。根据耦合方式不同定义了三种分析方法:直接法、顺序迭代法和顺序耦合法,建立了它们与强、弱耦合算法的联系。验证方法正确性后,对比离心机温度场强、弱耦合算法的计算结果发现,强耦合算法计算时间长,但模拟细节好,更接近真实情况,弱耦合算法计算时间短,但精度较低,故采用强耦合算法计算离心机流场和温度场。三种分析方法计算热-结构耦合的结果相近,故选择顺序耦合法计算离心机结构变形。     

离子交换膜金属复合材料力-电耦合变形数值模拟

论文基于电场-化学场-机械场耦合作用机理,采用数值模拟方法,研究离子交换膜金属复合材料(Ⅰ-onic Polymer Metal Composites简称IPMCs)宏观变形的细观机理.借用大型商业有限元软件ANSYS开发平台,结合MATLAB编制用户子程序,制定了数值分析流程,给出了典型IPMC悬臂梁宏观挠曲变形结果.文章重点研究了IPMC板迭层结构的输出力效率和非均匀挠曲变形细观机理的宏观分析方法,计算结果与实验比较以显示数值方法的正确性.文章的研究结果对材料工作者合理的制作IPMC致动器产品,具有理论指导意义.     

W型火焰锅炉炉内三维速度场数值模拟研究

W型火焰锅炉采用了煤粉浓缩、长火焰及分级送风等技术,有利于燃料的着火、火焰的稳定以及燃料的燃尽,在煤种适应性、低负荷稳燃能力、飞灰燃尽率等方面有很大的技术优势.本文通过数值模拟研究了W型火焰锅炉的三维速度场分布,得到了不同工况下炉内W型气流的流场图.通过比较数值结果和试验结果的流场图,结果表明:数值结果和试验结果基本吻合,W型火焰锅炉内的空气动力场取决于拱顶风与前后墙风的动量比,炉内气流形成两个明显的漩涡,延长了煤粉气流在下炉膛的停留时间,同时也增加了炉内气流充满度,有利于煤粉的完全燃烧.加大喉口风速,漩涡运动更加明显,在炉内形成γ型气流,煤粉气流在下炉膛的停留时间更长,炉内的一、二次风混合更加均匀.     

激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟

激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术, 以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景. 然而, 该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题, 亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法. 针对该问题, 本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型. 其中, 采用高斯面热源等效激光光束, 利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程, 进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程, 并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证. 基于该模型, 首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸, 并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析. 结果表明, 依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响. 本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化, 所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.      

混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析

荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例,建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程,对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后,基于连续损伤愈合力学理论,将自愈效应引入混凝土损伤本构关系,发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析,考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．     

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

数值模拟离子强度敏感水凝胶的多场特性

发展了多物理模型来研究溶液中离子强度敏感水凝胶电-力-化学多场耦合的特性. 模 型的主要控制方程包括：计算水凝胶内外离子浓度分布的Nernst-Planck化学场方程；描述 膨胀变形的力学场方程和描述电场的泊松方程. 无网格有限云团法和牛顿迭代法用来数值离 散和求解控制方程. 通过对比多场耦合的响应, 包括胶的膨胀率和胶内外离子浓度和电势的分布，探讨了影响胶体变形的主要因素. 对数值模拟结果和实验结果进行了对照.     

基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.      

高速穿甲过程的热-结构耦合数值模拟

研究子弹侵彻炮弹药筒及发射药的高速穿甲问题及其热变化.利用有限元方法进行数值模拟,计算两种不同药筒情况下的结构及温度变化.观察整个穿甲侵彻过程,绘制应力、应力变化率、应变、应变率、温度等常规参数及可能引燃或引爆发射药的相应参数的变化云图及时间历程曲线,为发射药安全性分析和设计提供参考意见及一些有价值的数据.     

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻一融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.     

多孔介质在压力梯度作用下的热质耦合数值模拟

多孔介质干燥导致热质耦合传输过程。本文基于连续介质力学的宏观尺度,对多孔介质的热、湿和气三者耦合迁移进行数值模拟,研究压力梯度对热质传输的影响。多孔介质传质机理主要为水汽和空气的对流和扩散传输、吸附水在含湿量梯度作用下的自由扩散和其在温度梯度即Soret效应驱动下的流动。采用Galerkin加权余量的有限元方法,提出了...     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

铁磁纳米结构磁化状态及其磁-力耦合效应的相场模拟

基于随时间变化的Ginzburg-Landau(TDGL)方程,建立了模拟铁磁材料磁-力耦合效应的相场模型。从弱解形式出发,推导出了相关控制方程的有限元格式,然后编制程序进行数值求解。由于有限元对复杂边界有良好的适用性,该模型可用于不同形状铁磁材料的畴结构模拟。通过相场模拟,发现铁磁纳米结构中的磁化会形成涡旋结构,与实验观察到的磁化涡旋结构符合较好。由非均匀磁化引起的结构的变形、应力等力学参量都可以通过模拟一并得到。本文结果表明,改变结构形状可以有效控制磁畴结构的形态,适当的外应力可以改变磁畴结构及其对外磁性的大小。     

高强度钢板热成形数值模拟-静力显式

在已建立的高强度钢热成形热、力、相变耦合本构方程的基础上,基于虚功率方程及持续平衡方程建立了热成形静力显式多场耦合有限元列武。将热成形过程中的相变潜热引入温度场,并进行了有限元分析;在自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh Analysis System)基础上,开发了考虑多场耦合的非线性、大变...     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟

根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型。将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.     

基于分子动力学模拟的多晶结构微观热-力耦合行为的计算

基于分子动力学模拟,建立了一套可用于表征微观下多晶结构热-力耦合行为的算法框架。该算法的要点是将连续模型和分子模拟耦合起来,并使守恒定律在微观连续模型和原子层次上都得到满足,与利用传统的连续介质力学建立晶界与晶粒的本构方程相比,本模型中的连续流是通过原子模型准确计算得到的,从而避免了使用经验的本构方程。