【研究前沿】多种CFD湍流模型仿真质子交换膜燃料电池的喷射器

这篇文章是2024年3月发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。          

质子交换膜燃料电池因其高效的能源转换效率和环境友好性，被视为未来能源技术的重要组成部分。在燃料电池的阳极路径中，喷射器是一个关键组件，它通过被动方式实现氢气的循环，从而提高氢气的利用率并减少能量消耗。为了在不同的操作条件下优化喷射器的性能，研究者们通常会利用二维计算流体动力学（2D CFD）模拟来进行预测和设计。然而，现有的大多数2D CFD湍流模型并不能准确预测整个操作范围内喷射器的吸入比。  

本研究通过实验数据验证了多种湍流模型，旨在找到最佳的湍流模型以提高模拟的准确性。实验使用了两个不同的喷射器，测试了纯氢和混合H2/N2次级气体组成在PEM燃料电池完整操作范围内的性能。    

实验台基于流通法设计，通过比例阀设定主喷嘴入口压力，并通过科里奥利装置测量喷嘴氢气质量流量。测试台还配备了两个氢气和一个氮气质量流量控制器（MFC），以设定所需的次级入口质量流量。测试台的设计能够测量高达160 kW的PEM燃料电池堆的工况。

研究中使用了多种RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯方程）模型，包括涡粘模型和雷诺应力模型（RSM）。RSM能够考虑湍流的各向异性，这在模拟喷射器流动中是一个重要的特性。

通过对比不同湍流模型的模拟结果与实验数据，发现Reynolds Stress Model（RSM）模型在预测喷射器的吸入比方面表现最佳，平均偏差为6.1%。这一结果相比传统的k-ε和k-ω湍流模型有了显著改进。    

文章最后得出结论，RSM模型，特别是结合了GEKO参数的RSM模型，能够最准确地预测PEM燃料电池系统中喷射器的性能。这一发现对于减少测试和开发成本，加速PEM燃料电池技术的工业化进程具有重要意义。