CN114065567A - 一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置 - Google Patents

一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池仿真优化，具体涉及一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置。该方法首先模拟构建出公共歧管仿真结构和单电池仿真结构，建立出电堆流场几何模型，然后划分流体域和多孔介质域，建立出电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，最后利用多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化电堆流场几何模型。本发明根据电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，简化了有限元网格划分时单电池仿真结构的网格量，减少了仿真计算量，实现了对燃料电池电堆公共歧管结构的高效仿真优化。

Description

一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置
技术领域
本发明涉及燃料电池仿真优化，具体涉及一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置。
背景技术
燃料电池电堆运行过程中，不仅仅是单电池内部各个流道的流体分配均匀性与电池性能相关联，从电堆公共歧管流入各个单电池的流体分配均匀性对电堆运行性能也有着极大地影响。单电池之间的空气和氢气流量分配均匀性差，可能造成单电池之间性能的均匀性产生巨大的差异，部分单电池出现严重堵水、单低等现象，影响电堆的稳定运行和整体性能发挥。单电池之间冷却液流量分配均匀性差，可能会造成部分电池产生的热量无法及时的被带走，使得温度过高，烧坏膜电极甚至是双极板，对电堆产生严重损坏。因此，对电堆公共歧管结构的优化工作至关重要。
由于电堆整堆的成本很高，且可能存在多轮的结构改动，若是采用实验的方法来进行结构的优化，花费的加工时间和费用都太大，因此设计阶段通常采用仿真的方法。整堆几何结构复杂，单电池数量动辄上百，甚至超过400块，若是使用原始的三维几何模型来进行仿真计算，以目前的硬件计算资源和能力是很难实现的，加上需要多轮的优化，需要花费的时间和费用不比实验少；若是采用简化后的一维模型去仿真，计算结果的精度又难以保证。
因此，如何实现对燃料电池电堆公共歧管结构的高效仿真优化，是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置，以实现对燃料电池电堆公共歧管结构的高效仿真优化。
为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：
第一方面，本发明实施例提供一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，所述方法包括：
根据燃料电池的电堆结构中公共歧管的几何结构，模拟构建公共歧管仿真结构，根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，以建立电堆流场几何模型；
将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型；
利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型。
在一种可能的实施例中，所述根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，包括：
将所述长方体结构的横截面尺寸设置为所述单电池的流场流道的横截面尺寸，将所述长方体结构的厚度尺寸设置为所述单电池的流场流道的深度尺寸，建立所述单电池仿真结构。
在一种可能的实施例中，将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，包括：
对所述单电池的流体的实测流阻曲线进行数据处理，拟合流体速度与压损的函数关系，获得所述单电池中多孔介质的惯性阻力系数和粘性阻力系数；
对所述电堆流场几何模型进行网格划分；
利用所述惯性阻力系数和所述粘性阻力系数，模拟所述多孔介质域对流体的分布阻力。
在一种可能的实施例中，所述利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型，包括：
判断是否同时满足优化终止条件集合；其中，所述优化终止条件集合包括以下一种或多种条件：所述单电池仿真结构的流量分配不均匀度小于第一设定阈值，所述公共歧管仿真结构的进口区域总压损失小于第二设定阈值，所述公共歧管仿真结构的出口区域总压损失小于第三设定阈值；
若不同时满足，则以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型；
若同时满足，则将当前的所述电堆流场几何模型作为目标电堆流场几何模型。
在一种可能的实施例中，所述判断是否同时满足优化终止条件集合之前，所述方法还包括：
计算所述单电池仿真结构中第i个单电池的流量分配不均匀度，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000031
其中，为所述第i个单电池的流量；N为所述单电池仿真结构中单电池总数。
在一种可能的实施例中，所述判断是否同时满足优化终止条件集合之前，所述方法还包括：
计算所述进口区域总压损失和所述出口区域总压损失，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000041
其中，
Figure BDA0003288722340000042
为所述多孔介质有限元模型的进口面平均总压值；
Figure BDA0003288722340000043
为所述公共歧管仿真结构的进口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000044
为所述公共歧管仿真结构的出口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000045
为所述多孔介质有限元模型的出口面平均总压值。
在一种可能的实施例中，所述以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型，包括：
根据所述公共歧管仿真结构中各位置的压力分布云图和速度分布云图，确定所述公共歧管仿真结构中目标优化结构区域；其中，所述目标优化结构区域的压损超过第四设定阈值，和/或，所述目标优化结构区域的流速变化率超过第五设定阈值；
调整所述目标优化结构区域中的歧管形状、歧管截面积和/或歧管连接曲面形状，以降低所述目标优化结构区域的压损和/或所述目标优化结构区域的流速变化率。
第二方面，本发明实施例提供了一种燃料电池电堆公共歧管结构优化装置，所述装置包括：
第一建立模块，用于根据燃料电池的电堆结构中公共歧管的几何结构，模拟构建公共歧管仿真结构，根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，以建立电堆流场几何模型；
第二建立模块，用于将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型；
优化模块，用于利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型。
在一种可能的实施例中，所述第一建立模块，包括：
第三建立模块，用于将所述长方体结构的横截面尺寸设置为所述单电池的流场流道的横截面尺寸，将所述长方体结构的厚度尺寸设置为所述单电池的流场流道的深度尺寸，建立所述单电池仿真结构。
在一种可能的实施例中，第二建立模块，包括：
第一获取模块，用于对所述单电池的流体的实测流阻曲线进行数据处理，拟合流体速度与压损的函数关系，获得所述单电池中多孔介质的惯性阻力系数和粘性阻力系数；
网格划分模块，用于对所述电堆流场几何模型进行网格划分；
第一模拟模块，用于利用所述惯性阻力系数和所述粘性阻力系数，模拟所述多孔介质域对流体的分布阻力。
在一种可能的实施例中，优化模块，包括：
第一判断模块，用于判断是否同时满足优化终止条件集合；其中，所述优化终止条件集合包括以下一种或多种条件：所述单电池仿真结构的流量分配不均匀度小于第一设定阈值，所述公共歧管仿真结构的进口区域总压损失小于第二设定阈值，所述公共歧管仿真结构的出口区域总压损失小于第三设定阈值；
处理模块，用于在不同时满足时，以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型；并在同时满足时，将当前的所述电堆流场几何模型作为目标电堆流场几何模型。
在一种可能的实施例中，所述装置还包括：
第一计算模块，用于计算所述单电池仿真结构中第i个单电池的流量分配不均匀度，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000061
其中，为所述第i个单电池的流量；N为所述单电池仿真结构中单电池总数。
在一种可能的实施例中，所述装置还包括：
第二计算模块，用于计算所述进口区域总压损失和所述出口区域总压损失，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000062
其中，
Figure BDA0003288722340000063
为所述多孔介质有限元模型的进口面平均总压值；
Figure BDA0003288722340000064
为所述公共歧管仿真结构的进口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000065
为所述公共歧管仿真结构的出口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000066
为所述多孔介质有限元模型的出口面平均总压值。
在一种可能的实施例中，所述处理模块，包括：
第一确定模块；根据所述公共歧管仿真结构中各位置的压力分布云图和速度分布云图，确定所述公共歧管仿真结构中目标优化结构区域；其中，所述目标优化结构区域的压损超过第四设定阈值，和/或，所述目标优化结构区域的流速变化率超过第五设定阈值；
第一调整模块，用于调整所述目标优化结构区域中的歧管形状、歧管截面积和/或歧管连接曲面形状，以降低所述目标优化结构区域的压损和/或所述目标优化结构区域的流速变化率。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现第一方面中所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时以实现第一方面中所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法的步骤。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明首先模拟构建出公共歧管仿真结构和单电池仿真结构，建立出电堆流场几何模型，然后划分流体域和多孔介质域，建立出电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，最后利用多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化电堆流场几何模型。本发明根据电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，简化了有限元网格划分时单电池仿真结构的网格量，减少了仿真计算量，实现了对燃料电池电堆公共歧管结构的高效仿真优化。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法的流程图；
图2是应用案例中空气流场中流动速度相对于压损的曲线示意图；
图3是应用案例中空气流场几何模型的结构示意图；
图4是应用案例中电堆各个单电池流量分配不均匀度的分布曲线示意图；
图5是本发明实施例提供的一种燃料电池电堆公共歧管结构优化装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法的流程图，具体包括步骤11至步骤13。
步骤11，根据燃料电池的电堆结构中公共歧管的几何结构，模拟构建公共歧管仿真结构，根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，以建立电堆流场几何模型。
具体的，电堆结构中的公共歧管分为空气流场、氢气流场和冷却液流场等三个流场，公共歧管将流场接入单电池中，通过催化反应，将化学能转换为电能。本实施例中电堆流场几何模型包括公共歧管仿真结构和单电池仿真结构。
根据公共歧管的真实几何结构，利用建模软件模拟出公共歧管仿真结构，可以获得公共歧管仿真结构。
为了精简有限元网格划分时的网格量，本步骤根据电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，简化了单电池仿真结构的内部结构，从而能够减少仿真计算量。
步骤12，将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型。
具体的，将步骤11中得到的电堆流场几何模型导入ICEM等网格划分软件划分三维结构化网格，再将网格化的电堆流场几何模型导入fluent等软件中设置相应的边界条件和参数，将公共歧管部分设置为流体域，将各个简化为长方体的单电池设置为多孔介质域，之后设置多孔介质域的惯性阻力系数和粘性阻力系数的值，最后将进口、出口、壁面等边界条件设置完毕，求解器根据流体状态选取合适的层流或湍流模型，设置相应的松弛因子，建立电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型。
步骤13，利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型。
具体的，多孔介质有限元模型的仿真计算结果可以单电池仿真结构的流量数据，以及，公共歧管仿真结构的各处压力数据和速度数据，以此判断出电堆流场几何模型是否符合设计要求，如果不符合则通过调整公共歧管的相关结构，优化电堆流场几何模型。
本实施例首先模拟构建出公共歧管仿真结构和单电池仿真结构，建立出电堆流场几何模型，然后划分流体域和多孔介质域，建立出电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，最后利用多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化电堆流场几何模型。本实施例根据电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，简化了有限元网格划分时单电池仿真结构的网格量，减少了仿真计算量，实现了对燃料电池电堆公共歧管结构的高效仿真优化。
步骤11用于建立电堆流场几何模型，可以使用CATIA软件创建燃料电池电堆三个流场的几何模型，燃料电池电堆包括进口区域的公共歧管、各个单电池以及出口区域的公共歧管，公共歧管仿真结构保持电堆原本公共歧管的几何结构，可直接从原始的电堆模型中抽取这部分的流体域，公共歧管仿真结构与各个单电池仿真结构连接的横截面积保持原有几何不变，单电池仿真结构的几何简化为长方体，具体可以包括步骤21。
步骤21，将所述长方体结构的横截面尺寸设置为所述单电池的流场流道的横截面尺寸，将所述长方体结构的厚度尺寸设置为所述单电池的流场流道的深度尺寸，建立所述单电池仿真结构。
具体的，本步骤采用长方体结构模拟单电池的几何结构，省去了单电池内部复杂结构，减少之后的有限元网格划分。
步骤12用于构建电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，多孔介质有限元模型中的多孔介质域需要模拟出附加在流体上的分布阻力，原本的燃料电池几何结构在确保一定的计算精度前提下划分单电池需2000-3000万的网格量，若整堆300片单电池的情况下，整堆的网格量就会超过60亿，这样的计算量是普通的硬件设备无法实现的，无论在计算时间还是计算成本上都不划算，本步骤在几何上将单电池原本燃料电池双极板内复杂的流道结构简化为长方体结构，同时赋予单电池仿真结构实际的分布阻力性能，替代原本流体域产生的压力损失，划分单电池网格时结构简单的长方体可划分结构化网格，网格量可控制在20万以下，300片量级的整堆网格完全可以控制在6000万以下，这对硬件设备的要求大大降低，在可操作性、计算时间、计算成本上均具有实现的可能，具体可以包括步骤31至步骤33。
步骤31，对所述单电池的流体的实测流阻曲线进行数据处理，拟合流体速度与压损的函数关系，获得所述单电池中多孔介质的惯性阻力系数和粘性阻力系数。
具体的，实测流阻曲线可以通过实验测量燃料电池单电池的三腔(空气或氢气或冷却液)在不同流量下的压力损失来获得，之后对体积流量进行换算得到不同流速下的总压损失，对数据进行曲线拟合，得出压损Δp与速度v的二次函数关系式
Δp＝av2+bv；
其中，a为惯性阻力系数，b为粘性阻力系数。
步骤32，对所述电堆流场几何模型进行网格划分。
具体的，将步骤11中得到的电堆流场几何模型导入ICEM等网格划分软件划分三维结构化网格，再将网格化的电堆流场几何模型导入fluent等软件中设置相应的边界条件和参数，将公共歧管部分设置为流体域，将各个简化为长方体的单电池设置为多孔介质域，之后设置多孔介质域的惯性阻力系数和粘性阻力系数的值，最后将进口、出口、壁面等边界条件设置完毕，求解器根据流体状态选取合适的层流或湍流模型，设置相应的松弛因子，建立电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型。
步骤33，利用所述惯性阻力系数和所述粘性阻力系数，模拟所述多孔介质域对流体的分布阻力。
多孔材料中流体流动的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项Si：
Figure BDA0003288722340000111
忽略多孔材料中的时间项、对流项和扩散项，上式可简化为：
Figure BDA0003288722340000121
或Δp＝-SiΔn；
源项包含两个部分：粘性损失项(达西公式项)和惯性损失项，可以表示为：
Figure BDA0003288722340000122
将单电池内部流场简化为长方体的多孔介质可视为各向同性材料，各个方向有相同的阻力特性，则上式可写为：
Figure BDA0003288722340000123
联合上述公式，可将流体在单电池仿真结构中产生的压损Δp写为
Figure BDA0003288722340000124
其中，
Figure BDA0003288722340000125
为惯性阻力系数，
Figure BDA0003288722340000126
为粘性阻力系数，ρ为流体密度，μ为流体动力粘度，Δn为多孔介质有效长度，由此可计算出惯性阻力系数C2和渗透率α。
将ICEM划分好的网格导入fluent软件中，将进口部分公共歧管和出口部分公共歧管设置为流体域，将简化为长方体的各个单电池设置为多孔介质域，多孔介质域的材料设置为各向同性材料，fluent中多孔介质域的惯性阻力系数设置为C2的值，多孔介质域的粘性阻力系数设置为1/α的值，最后将进口、出口、壁面等边界条件设置完毕，求解器根据流体状态选取合适的层流或湍流模型，设置相应的松弛因子。
这样，本实施例在几何上将单电池原本燃料电池双极板内复杂的流道结构简化为长方体结构，同时赋予单电池仿真结构实际的分布阻力性能，替代原本流体域产生的压力损失，划分单电池网格时结构简单的长方体可划分结构化网格，网格量可控制在20万以下，300片量级的整堆网格完全可以控制在6000万以下，这对硬件设备的要求大大降低，在可操作性、计算时间、计算成本上均具有实现的可能。
步骤13用于实现对电堆流场几何模型的优化，具体可以包括步骤41至步骤43。
步骤41，判断是否同时满足优化终止条件集合。
其中，所述优化终止条件集合包括以下一种或多种条件：所述单电池仿真结构的流量分配不均匀度小于第一设定阈值，所述公共歧管仿真结构的进口区域总压损失小于第二设定阈值，所述公共歧管仿真结构的出口区域总压损失小于第三设定阈值。
具体的，可以通过计算来获得单电池仿真结构的流量分配不均匀度，包括步骤51。
步骤51，计算所述单电池仿真结构中第i个单电池的流量分配不均匀度Ui，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000131
其中，mi为所述第i个单电池的流量；N为所述单电池仿真结构中单电池总数。
具体的，可以通过计算来获得单公共歧管仿真结构的进口区域总压损失和出口区域总压损失，包括步骤61。
步骤61，计算所述进口区域总压损失
Figure BDA0003288722340000132
和所述出口区域总压损失
Figure BDA0003288722340000133
具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000141
其中，
Figure BDA0003288722340000142
为所述多孔介质有限元模型的进口面平均总压值；
Figure BDA0003288722340000143
为所述公共歧管仿真结构的进口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000144
为所述公共歧管仿真结构的出口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000145
为所述多孔介质有限元模型的出口面平均总压值。
步骤42，若不同时满足，则以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型。
具体的，通过更改电堆流场几何模型，使得单电池仿真结构的流量分配不均匀度小于第一设定阈值，公共歧管仿真结构的进口区域总压损失小于第二设定阈值，公共歧管仿真结构的出口区域总压损失小于第三设定阈值。
步骤43，若同时满足，则将当前的所述电堆流场几何模型作为目标电堆流场几何模型。
具体的，还可以将优化前后的计算分析结果进行对比，综合评价选取压损较小、各单电池流量分配较为均匀的结构方案，从而将最优的电堆流场几何模型作为目标电堆流场几何模型。
这里，本实施例还提供了步骤42的具体实现过程，包括步骤71至步骤72。
步骤71，根据所述公共歧管仿真结构中各位置的压力分布云图和速度分布云图，确定所述公共歧管仿真结构中目标优化结构区域。
其中，所述目标优化结构区域的压损超过第四设定阈值，和/或，所述目标优化结构区域的流速变化率超过第五设定阈值。
步骤72，调整所述目标优化结构区域中的歧管形状、歧管截面积和/或歧管连接曲面形状，以降低所述目标优化结构区域的压损和/或所述目标优化结构区域的流速变化率。
为了详细说明本实施例的实现过程，这里还提供了应用案例。
现将上述优化方法运用到一个400片单电池组成的电堆上，对这样一个电堆的空气流场进行公共歧管结构流体分配均匀性进行仿真计算和分析评价：
S1、通过实验测量单电池空气流场在不同体积流量下的压损，由此得到单电池的空气实测流阻曲线。
S2、将体积流量换算为流动速度，得到以下空气流场中流动速度相对于压损的曲线，如图2所示为应用案例中空气流场中流动速度相对于压损的曲线示意图，可以拟合出流动速度与压损的二次函数关系式：
Δp＝78.42v2+1694.951v；
于是得到惯性阻力系数a＝78.42kg/m4，粘性阻力系数b＝1694.951kg/(m2·s)。
S3、根据燃料电池电堆的结构，利用CATIA软件创建整堆空气流场几何模型，如图3所示为应用案例中空气流场几何模型的结构示意图。
图3中1为公共歧管仿真结构中进口区域流体域，这部分保持了电堆原本几何的结构形状，从电堆原模型中抽取而来；图3中2为公共歧管仿真结构中出口区域流体域，这部分保持了电堆原本几何的结构形状，从电堆原模型中抽取而来；图3中3为400个简化为薄长方体的单电池，每个长方体与进出口公共歧管仿真结构相连接的横截面积保持原本几何结构单电池的流通面积，每个长方体的厚度保持与单电池原本流场的流通深度相同，每个长方体的长度保持与单电池原本流场的长度一致。
S4、将步骤S3中创建的整堆空气流场几何模型导入ICEM软件中划分结构化网格，得到2200万网格量的网格模型，再将网格模型导入fluent软件中设置相关参数和边界条件。
将整堆网格分为三个计算域，公共歧管仿真结构进口区域和出口区域设置为流体域，400个单电池仿真结构设置为多孔介质域。进口公共歧管域的边界条件分为三种：进口边界设置为流量进口条件，进口公共歧管与单电池之间的交界面，其余的面为固壁面。出口公共歧管域的边界条件分为三种：出口边界设置为压力出口条件，出口公共歧管与单电池之间的交界面，其余的面为固壁面。多孔介质域的边界条件也是三种：进口公共歧管与单电池之间的交界面，出口公共歧管与单电池之间的交界面，其余的面为固壁面。除此之外，多孔介质域还需设置两个损失系数C2和1/α，按照以下方法计算得到：
根据步骤S2中得到的惯性阻力系数a和粘性阻力系数b，空气在设定工作条件下的密度为ρ＝2.483768kg/m3，空气在设定工作条件下的动力粘度为μ＝2.0920477×10-5Pa·s，多孔介质域的有效长度为Δn＝250mm，计算出惯性阻力系数C2：
Figure BDA0003288722340000161
计算出粘性阻力系数1/α：
Figure BDA0003288722340000162
最后完成求解器的设置。
S5、初始化后开始计算，待残差值达到要求时可停止计算。对计算结果进行后处理分析，得到400个单电池的平均流量：
Figure BDA0003288722340000163
从而可计算出每个单电池的流量分配不均匀度Ui：
Figure BDA0003288722340000171
如图4所示为应用案例中电堆各个单电池流量分配不均匀度的分布曲线示意图，设计要求电堆流量分配不均匀度为|Ui|≤10％，从上图中可看出各个单电池的流量分配不均匀度都低于10％，满足设计要求。
对计算结果后处理，分别选取进口面和出口面，得到二者的总压值分别为
Figure BDA0003288722340000172
截取进口公共歧管与400个单电池的交界面，得到其平均总压值为
Figure BDA0003288722340000173
截取出口公共歧管与400个单电池的交界面，得到其平均总压值为
Figure BDA0003288722340000174
计算进口公共歧管中产生的压损
Figure BDA0003288722340000175
计算出口公共歧管中产生的压损
Figure BDA0003288722340000176
设计要求进出口公共歧管压损低于10kPa，显然本实施例的进出口公共歧管产生的压损满足设计要求。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池电堆公共歧管结构优化装置，如图5所示为该装置实施例的结构示意图，所述装置包括：
第一建立模块81，用于根据燃料电池的电堆结构中公共歧管的几何结构，模拟构建公共歧管仿真结构，根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，以建立电堆流场几何模型；
第二建立模块82，用于将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型；
优化模块83，用于利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型。
在一种可能的实施例中，所述第一建立模块，包括：
第三建立模块，用于将所述长方体结构的横截面尺寸设置为所述单电池的流场流道的横截面尺寸，将所述长方体结构的厚度尺寸设置为所述单电池的流场流道的深度尺寸，建立所述单电池仿真结构。
在一种可能的实施例中，第二建立模块，包括：
第一获取模块，用于对所述单电池的流体的实测流阻曲线进行数据处理，拟合流体速度与压损的函数关系，获得所述单电池中多孔介质的惯性阻力系数和粘性阻力系数；
网格划分模块，用于对所述电堆流场几何模型进行网格划分；
第一模拟模块，用于利用所述惯性阻力系数和所述粘性阻力系数，模拟所述多孔介质域对流体的分布阻力。
在一种可能的实施例中，优化模块，包括：
第一判断模块，用于判断是否同时满足优化终止条件集合；其中，所述优化终止条件集合包括以下一种或多种条件：所述单电池仿真结构的流量分配不均匀度小于第一设定阈值，所述公共歧管仿真结构的进口区域总压损失小于第二设定阈值，所述公共歧管仿真结构的出口区域总压损失小于第三设定阈值；
处理模块，用于在不同时满足时，以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型；并在同时满足时，将当前的所述电堆流场几何模型作为目标电堆流场几何模型。
在一种可能的实施例中，所述装置还包括：
第一计算模块，用于计算所述单电池仿真结构中第i个单电池的流量分配不均匀度，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000191
其中，为所述第i个单电池的流量；N为所述单电池仿真结构中单电池总数。
在一种可能的实施例中，所述装置还包括：
第二计算模块，用于计算所述进口区域总压损失和所述出口区域总压损失，具体计算公式包括：
Figure BDA0003288722340000192
其中，
Figure BDA0003288722340000193
为所述多孔介质有限元模型的进口面平均总压值；
Figure BDA0003288722340000194
为所述公共歧管仿真结构的进口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000195
为所述公共歧管仿真结构的出口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure BDA0003288722340000196
为所述多孔介质有限元模型的出口面平均总压值。
在一种可能的实施例中，所述处理模块，包括：
第一确定模块；根据所述公共歧管仿真结构中各位置的压力分布云图和速度分布云图，确定所述公共歧管仿真结构中目标优化结构区域；其中，所述目标优化结构区域的压损超过第四设定阈值，和/或，所述目标优化结构区域的流速变化率超过第五设定阈值；
第一调整模块，用于调整所述目标优化结构区域中的歧管形状、歧管截面积和/或歧管连接曲面形状，以降低所述目标优化结构区域的压损和/或所述目标优化结构区域的流速变化率。
基于与前述实施例中同样的发明构思，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前文任一所述燃料电池电堆公共歧管结构优化方法的步骤。
基于与前述实施例中同样的发明构思，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前文任一所述燃料电池电堆公共歧管结构优化方法的步骤。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例首先模拟构建出公共歧管仿真结构和单电池仿真结构，建立出电堆流场几何模型，然后划分流体域和多孔介质域，建立出电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，最后利用多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化电堆流场几何模型。本发明实施例根据电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，简化了有限元网格划分时单电池仿真结构的网格量，减少了仿真计算量，实现了对燃料电池电堆公共歧管结构的高效仿真优化。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(模块、系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，所述方法包括：
根据燃料电池的电堆结构中公共歧管的几何结构，模拟构建公共歧管仿真结构，根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，以建立电堆流场几何模型；
将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型；
利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，所述根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，包括：
将所述长方体结构的横截面尺寸设置为所述单电池的流场流道的横截面尺寸，将所述长方体结构的厚度尺寸设置为所述单电池的流场流道的深度尺寸，建立所述单电池仿真结构。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型，包括：
对所述单电池的流体的实测流阻曲线进行数据处理，拟合流体速度与压损的函数关系，获得所述单电池中多孔介质的惯性阻力系数和粘性阻力系数；
对所述电堆流场几何模型进行网格划分；
利用所述惯性阻力系数和所述粘性阻力系数，模拟所述多孔介质域对流体的分布阻力。
4.根据权利要求2所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，所述利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型，包括：
判断是否同时满足优化终止条件集合；其中，所述优化终止条件集合包括以下一种或多种条件：所述单电池仿真结构的流量分配不均匀度小于第一设定阈值，所述公共歧管仿真结构的进口区域总压损失小于第二设定阈值，所述公共歧管仿真结构的出口区域总压损失小于第三设定阈值；
若不同时满足，则以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型；
若同时满足，则将当前的所述电堆流场几何模型作为目标电堆流场几何模型。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，所述判断是否同时满足优化终止条件集合之前，所述方法还包括：
计算所述单电池仿真结构中第i个单电池的流量分配不均匀度Ui，具体计算公式包括：
Figure FDA0003288722330000021
其中，mi为所述第i个单电池的流量；N为所述单电池仿真结构中单电池总数。
6.根据权利要求4所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，所述判断是否同时满足优化终止条件集合之前，所述方法还包括：
计算所述进口区域总压损失
Figure FDA0003288722330000022
和所述出口区域总压损失
Figure FDA0003288722330000023
具体计算公式包括：
Figure FDA0003288722330000031
其中，
Figure FDA0003288722330000032
为所述多孔介质有限元模型的进口面平均总压值；
Figure FDA0003288722330000033
为所述公共歧管仿真结构的进口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure FDA0003288722330000034
为所述公共歧管仿真结构的出口区域与所述单电池仿真结构的连接面的平均总压值；
Figure FDA0003288722330000035
为所述多孔介质有限元模型的出口面平均总压值。
7.根据权利要求4至6所述的燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其特征在于，所述以同时满足所述优化终止条件集合为目标，更改所述电堆流场几何模型，包括：
根据所述公共歧管仿真结构中各位置的压力分布云图和速度分布云图，确定所述公共歧管仿真结构中目标优化结构区域；其中，所述目标优化结构区域的压损超过第四设定阈值，和/或，所述目标优化结构区域的流速变化率超过第五设定阈值；
调整所述目标优化结构区域中的歧管形状、歧管截面积和/或歧管连接曲面形状，以降低所述目标优化结构区域的压损和/或所述目标优化结构区域的流速变化率。
8.一种燃料电池电堆公共歧管结构优化装置，其特征在于，所述装置包括：
第一建立模块，用于根据燃料电池的电堆结构中公共歧管的几何结构，模拟构建公共歧管仿真结构，根据所述电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，以建立电堆流场几何模型；
第二建立模块，用于将所述公共歧管仿真结构设为流体域，将所述单电池仿真结构设为多孔介质域，建立所述电堆流场几何模型的多孔介质有限元模型；
优化模块，用于利用所述多孔介质有限元模型的仿真计算结果，优化所述电堆流场几何模型。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现权利要求1至7任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时以实现权利要求1至7任一所述的方法的步骤。
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