PEM燃料电池内部水传递的数值模拟

水的传递和分布对PEM燃料电池的性能具有重要影响,本文建立了一套分区域求解、两相流、非等温数学模型对此进行了研究,首次清晰地展示出二维空间的水传递和分布特性,得到如下有价值的详细信息:沿流动方向阳极侧的总水分浓度不断降低,而阴极侧的却不断升高,阴极流道末端易发生水淹;阴极GDL中的液态水分布随电流大小而不同:小电流时从内到外逐渐减少,而大电流时则逐渐增多。     

PEM燃料电池内液态水和温度分布特性

水和热的管理对PEM燃料电池的性能具有决定性的作用.本文建立了一个两相流模型,对PEM燃料电池换质子交换膜和阴极中的水分和温度进行了模拟,分析了燃料电池阴极中液态水和质子交换膜中水分,以及阴极催化剂层和质子交换膜中温度的分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度,电池阴极中的液态水和质子交换膜中的含水量显著增加;沿着气体流动方向,燃料电池内的温度降低,水分含量升高;从质子交换膜阳极侧到阴极催化剂层中,温度先升高,达到最大值后,渐渐降低.     

大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.     

质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究

利用落塔开展了不同重力情况下质子交换膜燃料电池性能的实验研究.对常重力和微重力条件下质子交换膜燃料电池发电时其阴极蛇形流场内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对质子交换膜燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:在常重力环境中,液态水堆积在竖置流道的底部,无法有效排出.聚集在流道内的液态水与反应气体在流道内形成气/液两相流动.在微重力环境中,液态水在气体推动力的作用下从流道的底部上升并沿流道向出口流动.聚集在流道内的液态水排除后,减小了反应气体(氧气)从流道向催化层的传递阻力,从而使质子交换膜燃料电池的性能得到提高.     

全钒液流电池传质及电流分布

为了解决大规模蓄能全钒液流电池中传质不均衡而导致电池寿命缩短的问题,本文建立了一个三维数值模型研究全钒液流电池中的传质规律。模型耦合了Nernst-Planck方程、Butler-Volmer方程、Nernst方程、质子交换膜中的传质方程等。模型模拟了全钒液流电池中不同价态钒离子的分布规律,以及电解质电流密度和电解质电势分布规律。研究发现:在放电过程中,沿电解液流动方向,反应物的离子浓度逐渐减少,生成物的离子浓度逐渐增加;电解质电流密度在膜表面达到最大,向两侧的集流体方向逐渐降低;沿电解液流动方向和阴极指向阳极方向,电解质电势逐渐降低。结果表明:集流体附近电化学反应更剧烈,质子在Nation膜中的传递主要是依靠电渗作用和浓差作用.     

机械应力下的质子交换膜燃料电池两相流研究

为了研究质子交换膜燃料电池在机械应力下的两相流分布,本文首先选取了四个压缩比：5%、10%、20%和25%来研究压缩对质子交换膜燃料电池性能的影响,研究了最佳压缩比时燃料电池内的两相流分布。研究结果显示：当压缩比为20%时,电池会达到最佳性能;燃料电池的最高温度发生在阴极催化层,燃料电池的温度随着电流密度的增加而增加;燃料电池阳极没有液态水的产生,燃料电池阴极的饱和度最大值发生在肋板下方的气体扩散层,随着电流密度的增加,阴极饱和度沿流道方向增加,当电流密度为1.51 A·cm^-2时,燃料电池的液态水饱和度最大值达到0.4。     

脉冲电晕放电流光发展和OH自由基二维分布的发射光谱研究

流光在OH自由基的生成过程中起到重要作用。为了研究流光与OH自由基之间的关系,利用ICCD拍摄了线板式脉冲电晕放电反应器内流光的形成和发展过程,着重研究了在反应器几何结构固定的情况下,输入峰值电压对流光发展速度和流光在阴极板覆盖范围的影响。实验表明在反应器不击穿的情况下,输入峰值电压越大,越有利于流光的发展,因此生成的高能电子数量越多。此外我们还利用发射光谱法测量了脉冲电晕放电反应器内OH自由基的二维分布特性,并且与流光发展轨迹图对比。OH自由基在放电电场中的分布特性是以电极线为中心向四周扩散,浓度逐渐降低。这个结论和流光在脉冲电晕放电反应器内的发展轨迹图相吻合。     

针-板和针-水电极大气压直流辉光放电的光谱特性

利用光谱学方法,对针-水电极和针-板电极直流辉光放电特性进行了比较研究。结果发现两种装置产生的放电都有明显的分区现象, 从阴极到阳极分别为负辉区、阴极暗区、正柱区和阳极辉区。针-板电极放电中可以清晰地观测到阳极暗区, 而针-水电极放电阳极暗区不明显。对比两种放电的伏安特性曲线,发现放电电压均随电流增大而减小,但相同电流下针-水电极间的电压大于针-板电极间的电压。由于伏安特性具有负斜率,且放电电流密度介于10-5～10-4 A·cm-2,说明两种装置中的放电均处于正常辉光放电阶段。在正常辉光放电的范围内比较两种放电的发射光谱, 发现发射光谱中都包含N₂的第二正带系(含波长为337.1 nm的谱线)和N+₂的第一负带系(含波长为391.4 nm的谱线),但相对强度不同。利用光谱学方法对放电发射谱的谱线强度比I_391.4／I_337.1和振动温度进行了空间分辨测量,发现相同位置处针-水电极放电的谱线强度比要比针-板电极放电的大,并且相同位置处针-水电极放电的振动温度高。     

辅助放电针对气体间隙直流自击穿特性的影响

为降低气体放电间隙直流条件下自击穿电压分散性,尽可能不影响其自击穿电压,基于环形电极放电间隙,设计了一种在阴极中心植入辅助放电针的辅助放电电极结构。通过电场仿真,研究了辅助放电针直径、长度和顶部倒角对放电间隙场畸变的影响。实验研究了放电间隙无辅助放电针和植入辅助放电针后,其在干燥空气和SF₆气体中的直流自击穿特性。结果表明：辅助放电针直径越小、长度越长,电极环对其电场屏蔽作用越弱,放电间隙场畸变强度越大;辅助放电针对SF₆气体放电间隙直流自击穿电压影响较小,随着场畸变系数的增大,同一气压下干燥空气自击穿电压下降百分数为SF₆气体自击穿电压下降百分数的2～3倍;辅助放电针对直流条件下干燥空气和SF₆气体放电间隙自击穿电压稳定性具有有益作用,分散性减小百分数较无辅助放电针结构均提高约25%。     

操作参数对PEM燃料电池中水迁移的影响

质子膜内水分和阴极多孔电极中液态水含量是PEM燃料电池正常运行的控制因素。本文给出了一个用于研究PEM燃料电池内水迁移的稳态、等温、两相流模型。模型耦合了连续方程、动量守恒方程和物质守恒方程,以及水在质子膜中传递方程。运用试验结果验证了模型的有效性。分析模拟结果表明,增大系统操作压力、升高电池操作温度和降低加湿温度将会使质子膜中水的净迁移通量增大;增大操作压力、降低操作温度和升高加湿温度会增加阴极CTL与GDL界面上液态水含量。     

组件与非组件式热阴极的热特性分析

 利用ANSYS软件研究了组件式热阴极与非组件式热阴极在阴极温度分布和启动时间等特性上的异同，并与实验结果进行对比。结果表明：组件与非组件式结构的阴极表面温度分布都十分均匀,组件式阴极钼筒外表面的温差与热子输入功率成正比；组件式阴极的钼筒外温度、阴极温度高于非组件式的，而热子温度明显低于非组件式的，但非组件式阴极启动更快；非组件式阴极通过增加阴极下表面发射率可以显著升高阴极温度，增加热子发射率可以显著降低热子温度，从而热性能也能达到与组件式阴极相近水准。     

环形磁场金属等离子体源冷却流场的数值模拟与优化

环形磁场金属等离子体源作为一种全新的等离子体源结构,可用于产生高度离化、无大颗粒、高密度的离子束流,但传统流道结构不能保证其高效、均匀散热,大功率工作时可能引起密封胶圈的烧蚀失效,需对其冷却流场进行优化设计.利用Solidworks Flow Simulation软件对等离子体源冷却流道进行模拟,分析出入水孔分布角度、孔数、孔径以及入水孔高度对冷却效果的影响规律,并对流道结构参数进行优化.结果表明,增大水孔的周向分布范围,有利于提高散热的均匀性;入水孔设置在结构上层有利于减少冷却水的温度分层现象,使铜套和密封胶圈都处于较好的冷却状态;适当减小孔径有利于增大冷却水射流速度,增大湍流程度强化传热,提高换热效率.优化后的流场结构可以提高冷却水的利用率,在相同流量条件下获得更好的冷却效果,改善等离子体源的放电稳定性,为环形磁场金属等离子体源的冷却结构设计提供理论依据.     

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应用商业软件ANSYS CFX计算了等离子体热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响。计算结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热通量的增大而线性升高,冷却水流速为1.5m·s-1,热通量分别为0.1MW·m-2和1MW·m-2时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3°C和458.6°C。增大液态锂流速,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。计算结果对液态锂回路安全稳定运行提供了一定参考。     

离子推力器空心阴极热特性模拟分析

对离子推力器空心阴极进行了热分析。利用ANSYS有限元软件对阴极罩开启/闭合状态下的空心阴极热启动过程和达到稳态工作时温度场分布进行了模拟,结果表明稳态工作时空心阴极内部能量主要损耗在热阻丝和阴极顶部分,并且阴极罩及热屏是降低空心阴极温度损耗提高其热效率的关键部件,采用阴极罩及热屏后使得空心阴极的总体温度值提升了2.3%~13.2%,其中发射体温度提升2.3%~4.2%,热实验得出的实验数据与模拟结果基本一致,研究结果对空心阴极的优化设计提供参考。     

高重复频率水冷Nd:YAG激活镜放大器的温度特性

为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题,采用数值模拟与实验分析的方法,对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究.基于低雷诺数k-ε湍流模型,建立了流-固共轭传热多物理场藕合分析模型,对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响,分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响.数值模拟表明:激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关,且冷却液的热扩散主要发生在100μm范围内;激光介质的热沉积分布中心对称,而温度分布沿水流方向不对称,最大温升位于出水口端且基本保持不变;增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化,而随泵浦参数线性变化;实验结果与数值模拟符合较好.     

质子交换膜燃料电池阴极气场设计优化

通过建立质子交换膜燃料电池阴极气场的三维简化模型,研究了不同进气方式、不同进出气总管尺寸对电池堆流量分布的影响,并提出从单电池流道深度的角度优化气场分布的改进方案。结果表明,与单入口进气方式相比,双入口进气方式效果更优;采用2-2型进气方案时流量分布最为均匀,进气功耗最小;增大进气总管的宽度可以使电堆流量分布更加均匀;各单电池合理采用非均匀深度流道可以有效提高电池堆流量分布均匀性。     

垂直管内油水两相流局部相分布特性实验研究

应用双头电导探针测量系统,对垂直上升管内油水两相分散流局部相分布特性进行了系统测量。得到了油水两相分散流的局部含油率分布类型图。研究结果表明低折算水速和低折算油速条件下,局部含油率在实验段截面上呈抛物线型局部分布特征,局部最大值出现在实验段中心区域。随折算油速增大,油滴受到横向力如升力的作用,逐渐向实验段壁面区域迁移,形成局部含油率的壁面峰值分布特性。当折算水速大于0．8 m／s时,局部含油率在实验段截面上呈均匀分布。     

热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响

应用商业软件ANSYS CFX 计算了等离子体热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响。计算结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热通量的增大而线性升高,冷却水流速为1.5m·s⁻¹,热通量分别为0.1MW·m⁻² 和1MW·m⁻² 时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3°C 和458.6°C。增大液态锂流速,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。计算结果对液态锂回路安全稳定运行提供了一定参考。     

星载行波管高效率阴极热子组件优化设计

为减小X波段星载脉冲行波管的热子功率,对阴极热子组件结构进行了优化设计,利用ANSYS有限元软件对该阴极热子组件结构进行了热分析,得到结构的稳态温度场分布、阴极温度瞬态解以及加热功率与阴极温度的关系,并与实测结果进行对比,对比结果表明,阴极温度模拟与实验结果误差在1.3%以内,说明了所用模型和方法的可行性。在此基础上通过研究阴极支持筒不同开槽宽度、壁厚及材料下热子加热功率-阴极温度关系,对阴极支持筒进行了优化。模拟结果显示,优化后的阴极热子组件结构加热功率由8.2W降到6.7 W。     

斜抽运无机液体激光器的流场热分布

激光二极管斜抽运的多增益段串接的液体激光器能够明显地提高激光光束质量、获得较高的输出功率.针对斜抽运子增益段工作时所涉及的流动、传热和壁面耦合,建立了计算子增益段流场热分布的流-热-固耦合模型,应用有限单元法完成了其瞬态流场热分布的数值模拟.该方法排除了不精确的换热系数对计算结果的影响,使得换热系数不再是计算的先决条件,而只是计算结果之一,并且为评价流道形状、流速、吸收系数等因素对流场热的影响,以及进一步改进和控制液体激光介质的流场热分布,提供了可靠的分析方法.数值模拟研究表明:换热系数是空间位置的函数,