平板式SOFC仿真第二部分——计算
正文共： 2632字 35图 预计阅读时间： 7分钟
1 计算设置
上一篇文章介绍了平板式SOFC仿真的几何建模部分，详细内容可以点击文末的“阅读原文”查看。
接下来介绍一下计算设置，包括SOFC模型调用与设置、组分输运模型设置、材料属性、边界条件设置、求解器设置。
SOFC模型调用。在网格或者case读入FLUENT后才能通过TUI调取SOFC模型，输入以下命令流：define→models→addon-module，选择第4个模块。
SOFC模型设置。首先在models面板中双击SOFC（Unresolved Electrolyte）进入设置面板，如下图。
SOFC模型设置。其次在SOFC model面板中按下图所示设置model parameters，各个参数的意义就不细说了，大家自行查阅SOFC相关资料（下同）。两点说明一下，第一，在其他所有设置都完成后，“Enable Volumetric Energy Source”应该先不勾选，先进行迭代求解收敛后在打开该选项继续求解至收敛，这样可以在各个计算域中考虑欧姆生成热的影响。第二，可以设定电池总的电流或者总的电压，二选其一。
SOFC模型设置。紧接着在SOFC model面板中按下图所示设置Electrochemistry。
SOFC模型设置。接着在SOFC model面板中按下图所示设置Electrolyte and Tortuosity，这里着重说明两点。第一，曲率区域分别将阴极和阳极电极计算域都勾选，并设定曲率值。第二，电解质和电极的交界面如前所述都属于电解质这个coupled面上，至于自身面和影子面分别处在阴极侧还是阳极侧，可以在边界条件设置面板中查看，然后可以对自身面和影子面分别重命名，如下图二所示自身面的修改。
SOFC模型设置。接着在SOFC model面板中按下图所示设置Electric Field，包括导电区域，如前所述的电极和集流板；接触面，如前所述的电极和集流板交界面；Voltage Tap面和Current Tap面。
组分输运模型设置。按下图所示设定组分输运模型。
材料属性。从FLUENT材料库中复 制氢气材料到混合物组分中，注意各组分的排序，然后对混合物的材料属性进行下图二所示的设置。
材料属性。设置阴阳两极集流板的材料属性，如下图。
材料属性。设置电解质层的材料属性，如下图。
材料属性。设置阳极电极的材料属性，如下图。
材料属性。设置阴极电极的材料属性，如下图。
计算域源项设置。设置阳极电极的源项，如下图。其中，质量、能量、组分源项均来自SOFC模块自带的UDF，无需手动编写（下同）。
计算域源项设置。设置阴极电极的源项，如下图。
计算域源项设置。设置阳极集流板的能量源项，这里其实就是考虑焦耳热的影响。阳极集流板采用相同的设置，从略。
边界条件设置。对所有面进行边界条件设置，汇总于下表，包括流体边界和SOFC边界。
序号 | 名称 | 流体边界 | SOFC边界 | 其他说明 |
1 | WALL_VOTAGE-TAP | 绝热壁面 | voltage tap surface | |
2 | WALL_CURRENT-TAP | 绝热壁面 | current tap surface | |
3 | ELECTROLYTE | Coupled | ELECTROLYTE/INTERFACE | |
4 | ANODE_AND_ANODE_CC | Coupled | CONTACT SURFACE | |
5 | CATHODE_AND_CATHODE_CC | Coupled | CONTACT SURFACE | |
6 | ANODE_FLOW_AND_ANODE | Interior | —— | |
7 | CATHODE_FLOW_AND_CATHODE | Interior | —— | |
8 | INLET_ANODE | 速度入口 | —— | 速度：0.2m/s； 温度：973K； 质量组分：水0.5248、氢气0.4752 |
9 | INLET_CATHODE | 速度入口 | —— | 速度：0.8m/s； 温度：973K； 质量组分：氧气0.233 |
10 | OUTLET_ANODE | 压力出口 | —— | |
11 | ANODE_FLOW_AND_ANODE_CC | Coupled | —— | |
12 | WALL_ANODE_CC | 绝热壁面 | —— | |
13 | WALL_ANODE | 绝热壁面 | —— | |
11 | CATHODE_FLOW_AND_CATHODE_CC | Coupled | —— | |
12 | WALL_CATHODE_CC | 绝热壁面 | —— | |
13 | WALL_CATHODE | 绝热壁面 | —— |
求解器设置。选择稳态求解器，对于SOFC而言，内部流道介质流速慢，通常都是按照层流考虑即可，因此本案例不必选择湍流模型。求解方法均按照默认格式即可，对于亚松驰因子可根据实际收敛情况进行调整，最终调整一组收敛性较好的值。收敛标准参考下面的设置，建议不低于该设置。
以上就是计算前的所有准备，接下来进行迭代计算即可。迭代曲线如下图所示，前面提到SOFC模型中的“Enable Volumetric Energy Source”先关闭，迭代计算后再打开继续求解（标注在下图），另外，本案例并没有达到上述的收敛标准，主要是连续性方程没有达到，不追究原因了，对计算结果进行其他方式的守恒判断即可。
2 计算结果
我们先检查一下能量守恒和质量守恒情况。进出口的质量流量如下，由于两极存在传质，因此我们将两极入口流量相加，等于8.956066e-07kg/s，两极出口流量相加，等于8.9560402e-07，两者几乎相等。
再检查一下能量守恒情况，这里的能量特指热能，由于所有外部面都是绝热，因此我们只需要检查进出口的能量情况即可，如下。进入电池的总热能（进口相加）为0.5063W，流出电池的总热能（出口相加）为-0.186W（负号表示流出），两者净值为0.3203W，可以看出热能是不平衡的，为什么呢？因为有一部分能量转换为电能，我们后面再说。
流道中心面的速度矢量如下，可以看出电极（多孔介质）区域速度相当小。
流道中心面的温度分布如下。
阳极流道的氢气质量分数分布如下。
阳极流道的水蒸气质量分数分布如下。
阴极流道的氧气质量分数分布如下。
我们再看一下电解质层的电流密度分布，如下图。
电解质层的能斯特电势分布如下图。
WALL_VOLTAGE_TAP和WALL_CURRENT_TAP面的电压如下，也就是这个电池的电压为0.8V（SOFC模型的设定值）。
我们计算一下通过这两个面的电流值，如下，可以看出总电流为0.4A左右，因此，总的功率为0.32W，刚好等于之前的热能不平衡值，也就是说那部分“丢失”的能量转化成电能。
最后，我们通过用户自定义矢量的方式绘制一下流道截面上的电流矢量，如下图（其中右边为电流密度云图，底部为阳极，顶部为阴极）。
至此，整个案例完毕。更多细节可以查看FLUENT燃料电池模块的帮助文档。
