CN110534776B - 一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法，包括S1、利用CATIA创建燃料电池发动机多堆组分配内腔的流域几何模型；S2、将流域几何模型导入fluent软件内，对其进行计算分析，得到进出口压降、各出口流量分配情况以及各出口流速的均匀性指数；S3、根据计算结果的压力和速度云图，确定优化部位及优化方案，并重复步骤S1和步骤S2，对优化后的分配内腔再次进行计算分析；S4、将优化前后的分配内腔的计算分析结果进行对比，选取压降最小且流量分配均匀性最好的结构方案。本方法针对一个圆形入口多支管方形出口的复杂流道，通过fluent计算分析找出结构中不合理之处并优化，达到减小压降和提高出口流量均匀性，以改善系统性能和稳定性的目标。

Description

一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的 方法

技术领域

本发明涉及氢燃料电池发动机领域，具体涉及一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法。

背景技术

氢燃料电池发动机作为一种零污染的清洁能源发动机，具有零排放、噪音低、能量转换效率高等优点。氢燃料电池发动机在不同的行业领域正不断的推广应用，从而为了满足不同的应用领域，需要开发不同形式、不同功率的发动机。目前为了大功率和小型化的要求，需要将多个电堆进行组合应用，这就需要让进入电堆的燃料和冷却液流量分配均匀(包括各单堆流量差异小，且各堆入口流速均匀性高)、压降较小。使得单堆性能较稳定均匀，提高电堆使用寿命。

发明内容

本发明提供一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法，针对一个圆形入口多支管方形出口的复杂流道，通过fluent分析找出结构中不足之处，进行优化，达到减小压降和提高出口流量均匀性，用以改善系统性能和稳定性的目标。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法，包括以下步骤：

S1、根据燃料电池发动机多堆组分配腔，利用CATIA创建分配内腔流域几何模型；

S2、将步骤S1中得到的几何模型导入fluent软件内，对其进行计算分析，得到燃料电池多堆分配内腔的进出口压降、各出口流量分配情况、各出口流速的均匀性指数以及燃料电池多堆分配内腔内部各位置处的压力值；

S3、根据步骤S2中计算结果的压力和速度云图，确定燃料电池多堆分配内腔的优化部位及优化方案，并且对燃料电池多堆分配内腔进行结构优化调整，再次重复步骤S1和步骤S2，对优化后的燃料电池多堆分配内腔进行计算分析；

S4、将优化前后的燃料电池多堆分配内腔的计算分析结果进行对比，选取压降最小且流量分配均匀性最好的结构方案。

作为上述方案的优选，在步骤S1中，所述燃料电池多堆分配内腔包括主腔体和对称设置在主腔体两侧的Z字型分流弯管，Z字型分流弯管包括圆形入口和方形出口，圆形入口连接主腔体，方形出口连接燃料电池电堆，Z字型分流弯管末端，在圆管和方管弯折过渡处形成有壁面。

作为上述方案的优选，所述Z字型分流弯管包括第一圆管、第二圆管、方管，第一圆管的一端与主腔体连接，另一端通过第一弯管与第二圆管连接，第二圆管与方管连接，第二圆管与方管过渡部位存在有内部壁面。

作为上述方案的优选，在步骤S3中，根据fluent计算结果及压力和速度云图，判断出Z字型分流弯管末端弯折过渡处压力损失及流体扰动最大，针对末端弯折过渡部分设计一种或多种优化方案。

作为上述方案的优选，一次优化后的燃料电池多堆分配内腔，在第二圆管与方管弯折处设置圆滑过渡段，所述圆滑过渡段包括球形和圆柱管路，并且圆柱管路与方管之间采用多截面平滑过渡。

作为上述方案的优选，特征在于：二次优化后的燃料电池多堆分配内腔，在第二圆管与方管折弯过渡处采用90度圆形弯管过渡，并且圆形弯管末端与方管之间采用多截面平滑过渡，所述圆形弯管的弯曲半径等于管径。

8、作为上述方案的优选，在步骤S2中，对燃料电池多堆分配内腔进行fluent计算分析的过程包括以下步骤：

S21、前处理：包括从几何模型中提取流体域及对几何模型进行整体网格划分，根据燃料电池发动机多堆组分配腔内部通道结构提取整体内腔作为计算的流体域，去除细小的过渡圆角和倒角，检查并修补模型中出现的破面，形成一个完整的几何体，然后采用fluent软件设置进出口，并使用meshing工具对流体域进行整体网格划分；

S22、求解设置：包括材料属性、操作条件、边界条件及求解器，其中，边界条件采用速度入口和压力出口，求解器根据流体的状态选用层流或湍流模型，并设置相应的松弛因子。

S23、求解运算：选择求解算法、设置收敛因子并经初始化后，进行计算，当残差值不大于E-03时，停止计算；

S24、查看燃料电池多堆分配内腔的进出口压降、各出口流量分配以及各出口流速的均匀性指数进行结果分析。

作为上述方案的优选，在步骤S21中，网格划分时，使用高级尺寸功能，关联中心选中等、平滑度选高等、过渡选慢速、跨度中心角选优等、最大面网格尺寸和最大体网格尺寸均设置为3mm。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

本发明主要是针对燃料电池多堆发动机系统分配内腔的设计，旨在设计此类一个圆形入口多支管方形出口复杂流道时，通过fluent计算分析找出结构中不合理之处，进行优化，达到减小压降和提高出口流量均匀性，用以改善系统性能和稳定性的目标。结构优化主要体现在：

1、末端圆管转方管，采用多截面平滑过渡；

2、转角采用折弯半径较大圆柱面充分过渡，不会形成内部壁面，并且转角处圆角减少压力损失；

3、出口端留有足够长度的等截面流域，使流体在变截面后能充分发展，提高出口端流体均匀性，并且能减少回流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明现有燃料电池多堆分配内腔的结构示意图；

图3为本发明一次优化方案燃料电池多堆分配内腔的结构示意图；

图4为本发明二次优化方案燃料电池多堆分配内腔的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

燃料电池多堆分配内腔是采用一个入口和多个出口的方式进行流体分配。如图2所示的是其中一款现有四堆发动机分配器内腔，包括主腔体1和对称设置在主腔体1两侧的Z字型分流弯管，主腔体1下端为圆形入口11，左右对称设有四个与分流管连通的圆形出口。Z字型分流弯管包括圆形入口和方形出口21，圆形入口连接主腔体1，方形出口21连接燃料电池电堆。所述Z字型分流弯管包括第一圆管22、第二圆管23、方管24，第一圆管22的一端与主腔体1连接，另一端通过第一弯管25与第二圆管23连接，第二圆管23与方管24连接，第二圆管23与方管24过渡部位存在有内部壁面26。此分配内腔能够满足一对四流量分配，但存在以下不足：

(1)末端圆形转方形过渡不充分，流体冲击壁面，改变流向，增大压降；

(2)末端流道方向直角变化，缺少圆角过渡，易形成涡流、增大压降；

(3)末端出口距离转角较近，出口靠近转角处涡流会影响出口的流体流速均匀性。

针对上述现有燃料电池多堆分配内腔存在的不足，本实施例提供一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、根据燃料电池发动机多堆组分配腔，利用CATIA创建分配内腔流域几何模型；

S2、将步骤S1中得到的几何模型导入fluent软件内，对其进行计算分析，得到燃料电池多堆分配内腔的进出口压降、各出口流量分配情况、各出口流速的均匀性指数以及燃料电池多堆分配内腔内部各位置处的压力值；

S3、根据步骤S2中计算结果的压力和速度云图，确定燃料电池多堆分配内腔的优化部位及优化方案，并且对燃料电池多堆分配内腔进行结构优化调整，再次重复步骤S1和步骤S2，对优化后的燃料电池多堆分配内腔进行计算分析；

S4、将优化前后的燃料电池多堆分配内腔的fluent计算分析结果进行对比，选取压降最小且流量分配均匀性最好的结构方案。

具体的，首先利用CATIA提取多堆组分配腔内部通道作为计算流域，并将几何模型导入fluent软件，对其进行计算分析，过程包括以下步骤：

S21、前处理：包括从几何模型中提取流体域及对几何模型进行整体网格划分，根据燃料电池发动机多堆组分配腔的内部通道结构提取整体内腔作为计算的流体域，去除细小的过渡圆角和倒角，以免造成网格数量过多，检查并修补模型中出现的破面，避免多个几何体引起的内部壁面，最终形成一个完整的几何体。然后采用fluent软件设置进出口，并利用meshing工具对流体域进行整体网格划分。网格划分时，使用高级尺寸功能，关联中心选中等、平滑度选高等、过渡选慢速、跨度中心角选优等、最大面网格尺寸和最大体网格尺寸均设置为3mm，设置完成后生成网格；

S22、求解设置：包括材料属性、操作条件、边界条件及求解器。边界条件采用速度入口和压力出口；求解器根据流体的状态选用层流或湍流模型，并设置相应的松弛因子；材料属性和操作条件均根据所要分析的燃料电池多堆分配腔内流体类型及工况而定，其中，材料属性的设置依据内腔流体类型及工况设定密度、粘度等参数；操作条件主要是设置参考压力。

S23、求解运算：选择求解算法、设置收敛因子并经初始化后，进行计算，当残差值不大于E-03时，停止计算；

S24、查看燃料电池多堆分配内腔的进出口压降、各出口流量分配以及各出口流速的均匀性指数进行结果分析。

然后，根据对现有燃料电池多堆分配内腔的计算分析结果找出结构中的不合理之处(主要表现为压力降对于其周围区域明显增大的位置)，本实施例中，根据fluent计算结果及压力和速度云图，判断出Z字型分流弯管末端弯折过渡处压力损失及流体扰动最大，设计一种或多种优化方案，以达到减小压降和提高出口流量均匀性，进而改善系统性能和稳定性的目标。本实施中，设计两种优化方案以供选择。

一次优化方案如图3所示，Z字型分流弯管末端圆管转方管，采用平滑过渡。具体为：在第二圆管23与方管24弯折过渡处设置圆滑过渡段，所述圆滑过渡段包括球形31和圆柱管路32；并且圆柱管路32和最后的方管24之间采用多截面平滑过渡。转角采用圆柱面和球面进行充分过渡，不会形成内部壁面，并且转角处圆角减少压力损失。方管24与圆柱段32采用多截面平滑过渡，并且方管24的出口端留有足够长度的等截面流域，使流体在变截面后能充分发展，提高出口端流体均匀性，并且能减少回流。

二次优化方案如图4所示，在一次优化方案的基础上将转角处改用较大折弯半径的圆柱面圆角过渡，具体为：在第二圆管23与方管24折弯过渡处采用90度圆形弯管4过渡，并且方管24与圆形弯管4之间采用多截面平滑过渡，所述圆形弯管4的弯曲半径等于其管径，减小直角处的压力损失并且能减少涡流的产生。同样的，方管24的出口端留有足够长度的等截面流域，使流体在变截面后能充分发展，提高出口端流体均匀性，并且能减少回流。

再分别对一次优化方案和二次优化方案得到的优化后的燃料电池多堆分配内腔重新建立三维几何模型，并分别对其进行fluent计算分析。

最后将优化前后的燃料电池多堆分配内腔的fluent分析结果进行对比，选取压降最小且流量分配均匀性最好的结构方案。分析结果对比下表1和表2所示。

分析结果表明，三种方案中，四个出口的压力几乎相等，且结构优化后压降均减小，其中一次优化方案压降减小近3％；而二次优化方案的压降最小，相比现有方案，压降减小了9％。结构优化后流量平均值稍有增大，但二次优化方案的流量差异最小，且均匀性指数相比现有方案无减小。

表1现有方案、一次优化方案和二次优化方案的进出口压降ΔP对比表

表2现有方案、一次优化方案和二次优化方案的四个出口流量分配均匀性对比表

综合以上对比分析结果，二次优化方案的压降最小，比现有结构减小9％；并且四个出口流量差异最小，出口均匀性指数平均值对比现有方案也无减小。故而第二种优化方案能够减小压降并且出口流量差异最小，可以使出口流量分配更均匀。满足燃料电池多堆发动机的系统性能和稳定性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据燃料电池发动机多堆组分配腔，利用CATIA创建分配内腔流域几何模型；

S2、将步骤S1中得到的几何模型导入fluent软件内，对其进行计算分析，得到燃料电池多堆分配内腔的进出口压降、各出口流量分配情况、各出口流速的均匀性指数以及燃料电池多堆分配内腔内部各位置处的压力值；

S3、根据步骤S2中计算结果的压力和速度云图，确定燃料电池多堆分配内腔的优化部位及优化方案，并且对燃料电池多堆分配内腔进行结构优化调整，再次重复步骤S1和步骤S2，对优化后的燃料电池多堆分配内腔进行计算分析；

S4、将优化前后的燃料电池多堆分配内腔的计算分析结果进行对比，选取压降最小且流量分配均匀性最好的结构方案；

在步骤S1中，所述燃料电池多堆分配内腔包括主腔体和对称设置在主腔体两侧的Z字型分流弯管，Z字型分流弯管包括圆形入口和方形出口，圆形入口连接主腔体，方形出口连接燃料电池电堆，Z字型分流弯管末端，在圆管和方管弯折过渡处形成有壁面；

所述Z字型分流弯管包括第一圆管、第二圆管、方管，第一圆管的一端与主腔体连接，另一端通过第一弯管与第二圆管连接，第二圆管与方管连接，第二圆管与方管过渡部位存在有内部壁面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤S3中，根据fluent计算结果及压力和速度云图，判断出Z字型分流弯管末端弯折过渡处压力损失及流体扰动最大，针对末端弯折过渡部分设计一种或多种优化方案。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：一次优化后的燃料电池多堆分配内腔，在第二圆管与方管弯折处设置圆滑过渡段，所述圆滑过渡段包括球形和圆柱管路，并且圆柱管路与方管之间采用多截面平滑过渡。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：二次优化后的燃料电池多堆分配内腔，在第二圆管与方管折弯过渡处采用90度圆形弯管过渡，并且圆形弯管末端与方管之间采用多截面平滑过渡，所述圆形弯管的弯曲半径等于管径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤S2中，对燃料电池多堆分配内腔进行fluent计算分析的过程包括以下步骤：

S21、前处理：包括从几何模型中提取流体域及对几何模型进行整体网格划分，根据燃料电池发动机多堆组分配腔内部通道结构提取整体内腔作为计算的流体域，去除细小的过渡圆角和倒角，检查并修补模型中出现的破面，形成一个完整的几何体，然后采用fluent软件设置进出口，并使用meshing工具对流体域进行整体网格划分；

S22、求解设置：包括材料属性、操作条件、边界条件及求解器，其中，边界条件采用速度入口和压力出口，求解器根据流体的状态选用层流或湍流模型，并设置相应的松弛因子;

S23、求解运算：选择求解算法、设置收敛因子并经初始化后，进行计算，当残差值不大于E-03时，停止计算；

S24、查看燃料电池多堆分配内腔的进出口压降、各出口流量分配以及各出口流速的均匀性指数进行结果分析。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤S21中，网格划分时，使用高级尺寸功能，关联中心选中等、平滑度选高等、过渡选慢速、跨度中心角选优等、最大面网格尺寸和最大体网格尺寸均设置为3mm。

Images