离心泵蜗壳内部非定常流动的数值模拟

采用双重时间步方法对一离心泵内部的液体非定常流动进行了数值研究。结果表明,叶轮叶道出口的“射流/尾迹”结构沿蜗壳流动方向而变化,蜗壳中部区域的尾迹中心约位于叶片吸力面之后叶道圆周长的10%处,蜗舌分水区尾迹中心大约在吸力面之后叶道圆周长的20%处。蜗壳中静压的波动主要受叶片蜗舌夹角影响,动压主要受“射流/尾迹”结构影响;流量大于设计流量时,静压在蜗壳内沿流动方向渐降,流量小于设计流量时,静压在蜗壳内沿流动方向渐升,随着流量从小到大变化,蜗舌舌尖上的滞止点从蜗舌外侧向蜗舌内侧移动。

离心泵叶轮内变流量流动特性的数值模拟

对一离心泵变流量时叶轮内部流动进行了数值模拟。计算过程中采用标准kε二方程紊流模型,SIMPLEC算法。结果表明,设计流量时,流道入口段在流道的吸力面附近流体的相对速度比压力面附近大,在流道出口段压力面附近流体的相对速度比吸力面附近大;流量大于设计流量时,在流道入口段中线附近区域流体的相对速度较大,压力面和吸力面附近流体的相对速度均较小;流量小于设计流量时,流道入口段的吸力面附近出现空穴或旋涡,流道出口压力面附近有回流。大流量时流道出口的“射流/尾迹”减弱,小流量时流道出口的“射流/尾迹”增强。

带控制片方柱绕流的非定常数值模拟

对高雷诺数下带控制片的方体(在方柱之前放置一小尺度的柱形薄片)非定常绕流进行了数值模拟。数值模拟方法采用RNG重整化群紊流模型,SIMPLE算法,在非定常计算中引入双重时间步方法,将方体和控制片区域作为求解域的一部分作整体求解。结果表明,控制片与方柱之间距离的不同,使得控制片所形成的涡被抑止或产生卡门涡街,从而对柱体侧面边界层的分离发生影响,产生三种典型的流态,柱体时均阻力系数相对于无控制片的情况迅速减小,当控制片偏离柱体轴心时,柱体升力系数迅速增大,偏心至柱体外壁面附近达到极大值。阻力系数达到最小值后将产生跳跃式的增大,而升力系数在达到最大值后也将产生跳跃式的减小。

管式SOFC热电特性的三维数值研究

建立了固体氧化物燃料电池(SOFC)完整极化的电化学模型与电势方程、N-S方程耦合求解方法,对一管式固体氧化物燃料电池的热电特性进行了三维数值模拟,得到电池发电特性的计算值与实验值吻合良好。分析了电动势分布、电流密度分布、温度分布、电化学反应生成热以及欧姆热分布特性,计算结果表明电池阴极欧姆极化损失和活化极化损失占全部损失达85%,化学反应热约占总生成热的92%,欧姆热占8%。

一种新非轴对称端壁成型方法的数值研究

根据叶栅内部二次流形成和发展的机理,应用正弦函数和多项式函数建立了一种叶栅非轴对称端壁成型方法.采用三维时均可压缩N-S方程组求解技术,数值研究了采用所建立的非轴对称端壁成型方法设计的跨音速直列叶栅的流动特性,分析讨论了建立的非轴对称端壁成型方法的效果及其对叶栅流动特性的影响.计算结果表明:所建立的非轴对称端壁可以有效地抑制和延迟叶栅通道中二次流涡系的发展,沿整个叶栅流道内总压系数明显降低,成型过程中幅值控制函数中最大幅值约占7.5%叶高为宜,叶栅出口位置处总压损失降低了约5.6%.

板式固体氧化物燃料电池的热应力分析

为了深入掌握固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构性能,进而提高其可靠性,在对SOFC的内部流动和电化学特性进行数值模拟,对顺流和逆流两种流动情况下板式SOFC内温度分布、电势特征和电流密度特征进行分析的基础上,将数值计算得到的温度场作为载荷施加到SOFC的热应力模型中,建立了数值模拟SOFC的有限元热应力模型,对SOFC关键结构中的三合一电极板中的热应力分布特征进行了分析研究.研究结果表明:相对于顺流形式,逆流形式燃料入口附近的温度梯度要大得多;材料间热膨胀系数的不匹配导致了热应力的产生;热应力的大小与温度分布和温度梯度密切相关.由于过大的热应力可能会导致SOFC结构开裂甚至破坏,该研究工作为SOFC单电池和电池堆的设计优化提供了重要的理论依据.

SOFC/GT混合系统的计算机仿真

固体氧化物燃料电池(SOFC)/燃气轮机(GT)混合系统以其高效、低污染排放的优点受到各国尤其是西方发达国家的重视,被认为是解决21世纪能源与环境问题的关键技术之一。计算机仿真方法是目前研究SOFC/GT混合系统的主要方法之一。本文利用Aspen Custom Modeler仿真平台对一回热器空气再热式SOFC/GT系统进行了仿真分析,给出了设计工况下混合循环各部件节点的状态参数值,分别就压比、燃料电池电流密度和燃料利用率对系统发电效率的影响进行了仿真分析。仿真结果表明,系统总发电效率随压比的关系曲线呈抛物线型,随着压比的增大,系统的发电效率先增大后减小。系统总发电效率与电流密度成反比关系,而与燃料利用率成正比;燃料电池的发电效率与电流密度和燃料利用率均成反比。

可逆固体氧化物电池发电-电解条件下的运行特性分析

能源互联网被认为是人类解决能源问题的有效手段之一,多种能源高效转化和互联互通是能源互联网的关键。可逆固体氧化物燃料电池(RSOC)具有高效、清洁和多功能化的特点,是连接多种类型能源的核心器件。然而,目前针对RSOC在不同工作模式下运行机制的研究尚处于空白。本文基于流程模拟方法对RSOC发电和电解工作模式下的多物理量进行了仿真分析。首先在发电模式下,对电池堆内部的气体流量、发电量、电压和效率进行了计算;其次,在电解模式下,研究了不同条件对RSOC发电-电解产氢性能的影响,揭示了工作温度、回流水比例、入口气体组分等对RSOC运行状态和各参数的影响机制。最后,分析了RSOC在稳态条件下单电池内部的各个微尺度参数的变化规律。研究结果表明:RSOC的性能无论在发电还是在电解模式下明显受电池堆内部各物理参数的影响,这些机理是设计和制造高性能、长寿命RSOC能源互联系统的关键。

采用可逆质子交换膜燃料电池/膨胀机的综合能源系统性能研究

为提高可再生能源在冷热电联供系统中的利用率,提出一种以可逆质子交换膜燃料电池(RPEMFC)和膨胀机为主要部件的新型冷热电联供综合能源系统,通过引射器和膨胀机回收电解池氧气侧的压力能,以RPEMFC电堆的冷却回路和膨胀机出口冷气分别对外供热和制冷。为获得系统中主要设备运行参数对系统性能的影响,建立了系统的热力学模型,进而揭示了系统效率、效率、压缩机耗功、膨胀机回收功、系统制热制冷量等参数的变化规律。研究结果表明:当RPEMFC电堆以50kW的发电功率运行时,系统发电效率为56.2%,热效率为35.2%,总效率为91.4%,效率为54%,且在15~85kW的发电功率变化范围内系统能效均超过89%;系统能量效率及效率对引射器流量比及引射器工作流压力的变化较为敏感,并以影响系统发电效率为主;压缩机出口压力变化对系统能效影响不大,但压缩机出口压力增大有利于系统增加产冷量。

板式固体氧化物燃料电池积碳特性的数值研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极积碳的发生是制约其高效稳定运行的瓶颈问题,文中介绍了阳极积碳对SOFC的影响,回顾了国内外研究此问题的三个典型方向及其进展;在此基础上,利用用户自定义子程序(UDF)与流体动力学计算软件Fluent建立的SOFC完整极化数值模型,对一板式SOFC的反应特性与积碳特性进行数值模拟与分析。文中首先给出了数值模拟的控制方程、极化模型及积碳模型,介绍了边界条件及方程离散方法,并在此基础上通过求解国际能源协会(IEA)的标准算例,验证了算法的准确性。最后对板式SOFC定常积碳特性的数值研究结果显示:在燃料入口处SOFC积碳产生速率较大,沿燃料气体流动方向积碳速率迅速减小;积碳的产生受CH_(4)含量的影响较大,而受温度、H_(2)、H_(2)O以及CO气体浓度因素影响较小。本文研究有助于探索SOFC积碳产生的机理,同时为以天然气作燃料的SOFC运行参数最优化控制提供了依据。

高温燃料电池/燃气轮机混合循环发电技术

高温燃料电池/燃气轮机混合循环系统以其效率高、排放低的特点,在未来分布式发电和集中式大规模发电中占有重要地位。本文首先简介了高温燃料电池和先进燃气轮机的结构特点及其分类,在此基础上阐述了高温燃料电池与先进燃气轮机混合系统的基本模式,然后对适用于分布式发电和集中式发电的几种典型混合循环系统的结构和相应的流程及特点进行了详细的描述,最后给出了高温燃料电池和燃气轮机混合循环发电系统中的一些主要代表性技术以及目前研究的进展、挑战和目标。

板式固体氧化物燃料电池积碳特性实验

固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极积碳是制约其高效稳定运行的瓶颈问题,文中回顾了国内外学者在实验领域对SOFC积碳问题的研究进展,并指出研究积碳产生速率数学模型的意义。搭建了由气路管道,气体流量控制器,开启式真空气氛管式电加热炉等仪器设备组成的固体氧化物燃料电池积碳测试实验台;介绍了实验用片状阳极材料的制备,以及积碳实验的详细步骤。基于对镍/氧化钇稳定氧化锆(Ni/YSZ)金属陶瓷阳极上一氧化碳(CO)积碳特性的实验结果分析了:①一氧化碳/二氧化碳(CO/CO_(2))混合气体组分对CO歧化反应积碳特性影响;②温度对CO歧化反应积碳特性影响;③甲烷(CH_(4))裂解与CO歧化对积碳特性的影响。本文最后基于化学反应动力学,推导了不同温度下CO歧化反应积碳速率数学计算模型,并运用实验结果对其进行了验证。本文研究有助于探索SOFC积碳产生的机理,同时为以天然气为燃料的SOFC运行参数最优化控制提供了依据。

固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合模式的统计综述

固态氧化物燃料电池(SOFC)作为高效低排放的一种先进发电方式,尤其是其与燃气轮机(GT)组成的混合系统,在未来能源的可持续发展过程中,对于提高化石能源的利用效率和可再生能源的应用将发挥重要作用。本文就目前的SOFC/GT混合模式(包括示范性项目和概念性设计)进行统计分析,在此基础上将SOFC/GT混合模式分为三种基本类型,并对相关典型混合模式进行综述和比较。本文最后对SOFC/GT混合系统目前的研究进展和面临的挑战进行讨论。

多能流分布式综合能源系统容量匹配优化与调度研究

综合能源系统可以实现电、热、气等多种能源形式的互补供能和满足负荷需求的多能调度,从而促进可再生能源消纳能力,提高能源综合利用率。针对含电、热、气并相互耦合的分布式多能流综合能源系统的设备容量匹配优化问题,建立以系统各能量成本最低为目标,以能量平衡和设备工作特性为约束的优化模型,采用一种区域收缩算法加速寻优收敛速度。以西安市某厂房办公楼为例,采用所建模型和所提算法得到综合能源系统最小能量成本下的最优容量匹配和调度策略。结果表明,通过系统的容量匹配优化可以大大减少电、热、气的单位价格,降低多级储热器、可逆固体氧化物燃料电池的设备成本,提高太阳能电池的利用率,可有效提高系统经济性。

考虑能量成本和污染排放的综合能源系统优化配置

综合能源系统通过对电、热、气多能流间的互补协调,能够在满足用户用能需求的同时提高系统能源利用率。本文针对热电耦合的分布式综合能源系统的最优容量配置问题,提出一种考虑能量成本和污染排放的线性加权双目标优化模型,并分析各目标不同权重对容量配置的影响;并以某厂房办公楼为例,计算得到不同权重组合下的最优容量配比,对不同权重下最优容量配比组合进行了运行分析。结果表明,随着权重配比的改变,系统组件容量、单位能量成本和污染排放成本也在不断波动,能量成本所占权重的增加会导致系统目标函数值的增大,从而使系统的性能降低。系统容量优化配置的运行分析表明,选取合适的权重系数,系统用能单价和污染物排放可以得到有效降低,具有经济和环保效益。

电/热/气多能转换的可逆固体氧化物燃料电池信息物理融合建模与仿真

信息物理融合是能源互联网的重要特征,是能源互联网能量管理系统亟需解决的关键基础问题之一。选取涵盖电、热、气三种能量流的可逆固体氧化物燃料电池（reversible solid oxide fuel cell,RSOFC）作为典型能量节点开展信息物理融合建模研究,建立了基于质量守恒和能量守恒的RSOFC发电和制氢2种工作模式的电化学过程物理模型,利用状态机达到电池运行过程中2种工作状态的转换,采用时序分析方法研究可逆固体氧化物燃料电池节点信息系统与物理系统之间的信号交互,构建能量节点的信息物理融合动态模型,同时对节点内部的电、热、气不同能流形式进行归化统一表征,明确节点的多能转换关系。利用所建立的模型对不同调度时间步长的2个案例进行仿真分析,结果表明构建的RSOFC信息物理融合模型能够在短时间内对调度信号作出准确响应,并使燃料利用率或蒸汽利用率以及电堆温度保持在预设的合理范围之内,验证了所建模型对能量节点的调度、控制和交互功能。

固体氧化物燃料电池阳极微结构三维数值模拟

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效的发电设备,其电极微结构直接影响电池的电化学性能。本文通过X-ray技术获取了SOFC阳极微结构,将电荷和物质传导定义在体相材料,将电化学反应定义在三相边界线上,建立了SOFC阳极电化学-传质耦合的三维微观模型,对比了两个微结构在80℃条件下的极化特性。研究表明微结构对电极内部物理场分布有极大影响,越靠近电极电解质界面,活化极化和离子电势波动越强烈。电极孔隙相细小的喉附近存在较大传质阻力,形成明显浓度极化跳跃。活化极化和欧姆极化大小相当,各占据总损失的45%以上。本文模型可用于研究微结构改变引起的电池退化和电极的优化设计。

锂离子电池放电循环的发热特性研究

锂离子电池发热特性的研究对于发展电池热管理系统具有重要意义.本文采用数值方法对锂电池放电过程中的微观发热特性进行了研究,并对锂电池放电循环过程中固体电解质(SEI)膜和欧姆热的变化规律进行了分析,研究结果表明:锂电池以高倍率(>5C)放电时,SEI膜产生的热量是锂电池发热的重要部分;随着放电循环的进行,锂电池负极颗粒表面SEI膜以线性规律增厚,导致电池SEI膜电阻不断增大;锂电池放电环境温度越高,锂电池负极SEI膜增厚越快,容量衰退越快。

基于Li分布特性的锂电池放电容量研究

本文采用锂电池多尺度耦合模型对不同工况下放电的电极颗粒内部Li浓度分布特性进行了研究,并根据放电过程中的Li脱嵌量对放电容量进行了估算。结果表明:在1 C放电电流下,当环境温度较低(0~25℃)时,锂电池放电容量随环境温度的升高而迅速增大,当环境温度较高(25~40℃)时,放电容量基本不随温度变化;在25℃的环境温度下,当放电电流较小时(0 C^4 C)时,放电容量随放电倍率的增大而减小,而当放电电流较大(4 C^10 C)时,锂电池放电容量随放电倍率的增大基本不变。