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平板式SOFC仿真第二部分——计算

余花生

1年前浏览6046

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。