直接甲醇燃料电池热传递数值模拟

本文建立了二维两相非等温的直接甲醇燃料电池(DMFC)模型,综合考虑了DMFC中的电化学反应、热传递、组分传递和甲醇串流。计算了电池内的温度分布、不同电流密度下的膜电极内部最大温差和膜电极平均温度;在此基础上研究了环境和甲醇进口浓度对电池性能、膜电极内平均温度和最大温差的影响。结果表明:膜电极内阴极的温度高于阳极;甲醇进口浓度的上升导致膜电极内平均温度和最大温差上升;环境对电池性能的影响很小。     

直接甲醇燃料电池反应和组分传递的模型计算

本文建立了直接甲醇燃料电池的二维、单相数学模型来研究电池内各种场的分布情况.模型中考虑了与电化学反应相伴随的、与流体动力学相关的反应与物料传递的耦合过程以及甲醇串流对阴极反应的影响;对阳极和阴极催化层传质过程引入了团聚块模型进行修正.计算了电池内的反应组分浓度分布和局部电流分布以及催化层沿长度方向的局部过电势分布,分析丁催化层内反应的非均匀性.在此基础上考察了对电池流场板结构的改进方案:减小集流板肋条宽度以及在肋条过窄时引入金属泡沫代替电池流场板和扩散层对电池性能的影响,通过对比计算表明两种改进均可以使得催化层反应均匀化,使电池输出性能得到提高,后者效果更佳.     

离心泵叶轮内气液两相三维流动数值研究

本文采用欧拉模型对离心泵叶轮内气液两相泡状流动进行了数值模拟。分析了叶轮内压力、速度等的分布规律,发现在靠近轮盖侧吸力面入口附近压力较低,气液两相速度较大,气泡容易凝聚而导致含气率较高;靠近轮盘处含气率较低。分析了不同进口截面含气率对叶轮内部两相流动的影响机理,建立了进口截面含气率对内部相态分离及泵外特性的影响关系。     

气液两相流体绕方柱流动的数值模拟

本文详细给出了气液两相流动双流体模型下的各控制方程组和相间作用力,通过将气泡引起的紊流与剪切引起的紊流线性叠加给出了气液两相流动的紊流模型。通过给出的边界条件,采用ＩＴＡ－ＩＰＳＡ算法对垂直上升的气液两相流横向冲刷方柱引起漩涡证替脱落的过程进行了数值模拟,得到了流场和局部含气率变化的示意图,数值模拟与试验的结果基本一致。     

方形分离器内气固两相流动的数值模拟

本文采用颗粒随机轨道模型，并与ｋ－ε模型及应力代数模型相结合，对方形分离器内的三维气固两相流动进行了数值模拟，气相计算得到了与实验结果基本一致的湍流流场，两相计算得出了与实验基本符合的分离器分离效率曲线。计算结果表明，在方形分离器内的旋风流动计算中，ｋ－ε模型及应力代数模型均得到比较合理的结果，并与实验符合较好；两相流动的计算初步分析了方形分离器的分离性能及分离机理，得到对工程设计有指导意义的结论。     

直接甲醇燃料电池阳极流道两相流动的拟沸腾模型(I)流动压力降的计算

本文分析了直接甲醇燃料电池阳极流道中存在的气液两相流动现象。通过与传统加热管中流动沸腾现象进行比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,建立了气液两相流压力降模型。基于在建的活化面积为100 cm2的DMFC极板的蛇行流场设计,计算了阳极流道的压力降,分析了各分压力降对总压降的影响。计算结果表明:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。     

高密度和高粘度比率下气液两相流动的数值模拟

本文在VOF方法的基础上,采用粗细两套网格对高密度和高粘度比率下的气液两相流动模拟进行了研究分析.在细网格中求解流体体积函数方程,在粗网格中采用交错网格求解动量方程和压力修正方程,通过粗细网格间的数据传递获得求解动量方程时需要的准确的界面密度和粘度及控制体密度,克服了高密度和高粘度比率下通过插值方法计算界面密度和粘度及控制体密度带来较大误差的困难,保证了质量和动量同时守恒.高密度和高粘度比率下气液两相流动中气液交界面处密度、速度和压力急剧变化,为了保证格式的有界性和稳定性,采用稳定的有界高阶组合格式STOIC.最后模拟了不同工况下气泡在液体中的运动,并通过实验和模拟结果验证了方法的可行性及准确性.     

直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场两相流研究

本文针对配备三通道蛇形阳极流场的液态进料直接甲醇燃料电池阳极两相流及电池性能开展了实验研究.液态进料的直接甲醇燃料电池阳极流床内会形成二氧化碳气泡与甲醇溶液构成的两相流系统,其两相流特性受到电池流道设计、运行工况和工作角度的影响,并同时影响燃料电池的性能.本文设计了三通道蛇形流场,通过可视化实验得到直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场内的两相流特性随电流密度变化的规律,并研究了燃料电池在不同旋转角度下的两相流特性和电池性能.实验结果表明:在不同的旋转角度下,电池都体现出较好的工作性能.     

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。     

直接甲醇燃料电池膜及阴极模拟

本文提出一个针对直接甲醇燃料电池膜及阴极的二维、多组分稳态数学模型．模型根据直接甲醇膜燃料电池膜及阴极运行工况特性,考虑质量、动量、组分守恒以及电池中的电化学过程而建立,并应用了计算流体动力学(CFD)技术．模拟结果表明传质对直接甲醇燃料电池的性能影响很大;本文还进行了直接甲醇燃料电池阴极水管理的初步探讨．     

燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制

本文首次应用有内热源的多孔介质中流体流动与换热理论,对直接甲醇燃料电池中PEM中的传热过程和干涸 现象进行定量研究。建立了相应的数学物理模型并进行了数值求解。计算结果表明:反映水的热容量和膜的内部产热量的 两个无因次参数D和N是影响PEM中传热的主要因素;水的质量流率小和电流密度过高是造成膜干涸的主要原因。     

直接甲醇燃料电池两相非等温模型

本文建立了直接甲醇燃料电池的两相、非等温模型.采用多孔介质中的经典多相流动模型来计算电池内与电化学反应相耦合的传质、传热问题;模型中考虑了水的汽化凝结过程和甲醇窜流对电池性能的影响.计算结果表明电池内温度分布不均匀,温度最高点出现在阴极催化层;阳极甲醇浓度分布不均匀是造成阳极催化层内局部反应速率不均匀分布的主要原因,而阴极催化层局部反应速率主要依赖于阴极过电势的分布;大的流场板开口比条件下电池整体均匀性较好,性能得到提高.     

自呼吸式DMFC电堆构建与电池性能研究

本文报道了一种能驱动风扇工作的自呼吸式DMFC小型电堆,电堆主要南燃料储罐、膜电极(MEA)、集流体等组成.文中针对影响该电池性能的主要参数,如电堆的活化过程、甲醇浓度等因素进行了研究.同时,本文还对电堆的恒电流放电时的电流曲线特点以及阴极水的生成规律进行了初步考察和探讨.     

固体氧化物直接碳燃料电池的模型计算

直接碳燃料电池(DCFC)是直接以碳或煤为燃料的燃料电池.本文以一种以固体氧化物为电解质的固定床直接碳燃料电池为对象,基于文献中的实验数据,建立了物理模型和数学方程,求解出电池在三个特定温度下的V-I曲线以及能量转换效率,并与文献中的实验结果进行对照,验证了对固定床直接碳燃料电池的反应过程的假设,分析了电池性能的影响因素,为直接碳燃料电池的应用打下了理论基础.     

燃料电池阴极相变临界电流模拟

本文根据直接甲醇燃料电池(DMFCs)阴极运行工况特性,考虑一个简单的一维模型,分析水蒸气饱和凝结成水的条件,从而得到电池阴极从单相流动到两相流动的临界电流值。分析结果表明:阴极气体进口速度增大使临界电流密度增大;临界电流随阴极气体进口相对湿度的增加而线性下降;临界电流随流道变长而减小;电池运行温度高有利于提高电池的临界电流。