当流道中的液滴遇到格子玻尔兹曼
2018-9-11

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      本期,我们要向大家介绍使用格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)研究质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)流道内液滴运动。首先来科普一下什么是质子交换膜燃料电池以及为什么要研究电池流道内液滴的运动机理。

      质子交换膜燃料电池因为能量转换效率高、响应速度快、产物无污染等优点被视为最有前景的动力来源之一。PEMFC基本工作原理为:电池阳极端通入氢气,氢气在阳极催化剂帮助下被氧化为氢离子并释放电子。氢离子受电渗透力驱动经质子交换膜到达阴极催化层,而电子会因电位差通过外电路流向阴极产生电力;电池阴极端通入空气,空气在阴极催化层与氢离子、电子反应生水。

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      水作为质子交换膜燃料电池的唯一产物,如果大量积留在电池中,会阻碍反应气体的输运,减少有效反应面积,极大地降低电池性能,这种现象称为燃料电池的“水淹”。而在电池内,液态水只能从流道中被进气吹出。因此,研究流道内液滴的运动机理对于缓解电池水淹,提升电池性能意义重大。

       对于这一经典问题,目前大多数研究者采用的是VOF(Volume of Fluid)与Level Set方法捕捉气液两相界面,但这种方法缺陷在于:首先气液相界面是人为构建,捕捉界面需要耗费大量计算资源;其次,很难真实反映动态接触角的作用。在本工作中,我们尝试使用基于介观尺度的计算流体力学方法——格子玻尔兹曼方法(LBM)去模拟流道内液滴的运动。

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      格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)在过去的十多年中发展迅速,很多LBM自身的缺陷得到了修补,被广泛用于研究多相流问题。使用LBM研究多相流问题最大的优势在于:首先,LBM方法并行效率高,我们自主编写的GPU并行代码计算速度相比传统CFD方法有很大优势;其次,在LB伪势(SHAN-CHEN)多相模型中,气液相界面可在格子间相互作用力下自动分离,无需人为捕捉。虽然过去有学者做过类似的尝试工作,但是缺陷在于:

1. 没有考虑液滴的真实物性(气液的密度比,粘度比,表面张力)。

2. 液滴的运动是通过外加力场(重力场)实现,而实际过程中,液滴受与气流间剪切力驱动前进。

    在本次工作中,我们解决了以上两点缺陷,利用提升后的伪势多组分多相模型模拟流道内真实物性液滴受空气驱动下的运动过程。具体模型介绍请参阅原文。


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      关于流道内液滴的运动机理,目前很多实验都已证实,液滴的移动模式与液滴聚并现象有关。液滴刚从扩散层(GDL)中流出时体积很小,经过多次聚并后形成较大液滴,从而堵住流道。而且液滴在聚并过程中发生的形变与震荡会比单液滴移动更加剧烈,从而也更容易堵住流道。我们分别研究了流道内液滴大小,液滴间距,壁面接触角以及入口风速对于液滴聚并的影响。下图展示了大小不同的两液滴聚并的过程,以及液滴聚并过程中流场变化。

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      此外,我们对液滴的高度以及液滴的位置进行了全过程追踪。

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                                                                                                            液滴高度随时间变化曲线                                                                                                               

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        液滴位置随时间变化曲线  

       从上图可以看出,在液滴发生聚并前,大的液滴移动较快,当开始聚并时,液滴发生形变并且液滴的高度在有规律地震荡着。两个相同尺寸的液滴聚并过程最激烈,因为此时两液滴间交换的动量最多。液滴的移动速度可以从液滴位置-时间图的斜率中获得,我们计算了液滴在第一个震荡时段的平均速度以及液滴平稳后运动的平均速度。可以看出,由于液滴达到了最大高度,液滴的移动速度在第一个震荡期快速上升,而这段期间的平均速度与液滴的震荡高度有关。当液滴震荡平稳后,液滴的移动速度相同。

      以上就是本期的全部内容,感谢阅读。如果您对LBM模型开发感兴趣或对于文中模型有疑问,欢迎联系我们。了解更多模型细节以及结果讨论,请参阅原文:


1. Yuze Hou, Hao Deng, Qing Du, Kui Jiao. Multi-component multi-phase lattice Boltzmann modeling of droplet coalescence in flow channel of fuel cell[J]. Journal of Power Sources, 2018, 393:83-91. 

2. Hao Deng, Kui Jiao, Yuze Hou, Jae Wan Park, Qing Du. A lattice Boltzmann model for multi-component two-phase gas-liquid flow with realistic fluid properties[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.019






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