本案例演示利用Fluent中的SOFC模型模拟固体氧化物燃料电池。
SOFC模型在Fluent中是作为一个附加模块提供的,其包括UDF库及预编译的Scheme库(包含图形和文本用户界面),需要在执行计算之前加载并激活。
注:本案例来自Fluent案例集。
”
1 问题描述
本案例所考虑的管状SOFC如图所示。阳极入口通入温度973 K,质量流量2.48949e-7 kg/s的湿氢气;阴极入口通入温度973 K,质量流量1.3705e-5 kg/s的空气。阴极与阳极由两个同心圆柱体组成,圆柱体长度130 mm,阴极内径及外径分别为4 mm及6 mm,阳极内径及外径分别为6mm及7 mm。活性电解质材料厚度40 微米,位于阴极与阳极中间。
本案例中阳极与阴极集流体的外壁保持绝缘。燃料和氧化剂通过多孔阳极和阴极材料进入电解质区域。燃料在电解质区域和阳极的界面上发生电化学氧化。进入空气中的氧气在电解质区的界面处被电化学还原,整个反应的结果是在阳极侧形成水。利用SOFC模型计算燃料电池装置的电流、电压、组分和温度分布。
![](/wp-content/uploads/2022/12/7dfd96dde63f76d.png)
2 Fluent设置
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以3D、Double Precision模式启动Fluent -
读取网格文件tubular sample.msh
2.1 General设置
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点击按钮Scale…打开模型缩放对话框 -
选择 Mesh Was Created In
为mm -
点击按钮Scale缩放网格 -
点击按钮Close 关闭对话框
![](/wp-content/uploads/2022/12/60dbddd1ec01f53.png)
-
点击工具栏按钮 Domain → Combine → Merge...
打开区域合并对话框
![](/wp-content/uploads/2022/12/d0832d5b6d67f29.png)
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如下图所示合并计算区域 flow-channel1-an
与fluid
![](/wp-content/uploads/2022/12/e0d6fa1b8f706d3.png)
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合并边界 inlet-an
与inlet-an:034
![](/wp-content/uploads/2022/12/cf0ea321dd6926b.png)
-
修改边界名称electrolyte为wall-electrolyte-cathode -
修改边界名称electrolyte-shadow为wall-electrolyte-anode-shadow
计算网格如图所示。
![](/wp-content/uploads/2022/12/78bdbc4c7d2b19f.png)
2.2 Models设置
-
激活能量方程
![](/wp-content/uploads/2022/12/dea579115459c93.png)
-
采用 Laminar
进行层流计算,激活选项Viscous Heating
考虑粘性热
![](/wp-content/uploads/2022/12/4fb80891942dd20.png)
-
激活Species Transport模型,如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/0516fc41a5d0bde.png)
-
TUI窗口中输入命令 /define/models/addon-module 4
激活SOFC模型
![](/wp-content/uploads/2022/12/8c8bdbe2fe59316.png)
2.3 设置SOFC模型
-
右键选择模型树节点SOFC(Unresolved Electrolyte) ,点击菜单项Edit…打开是设置对话框
![](/wp-content/uploads/2022/12/09eff0e3c50d1ad.png)
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激活选项Enable SOFC Model -
进入 Model Parameters
选项卡 -
指定参数 Current Under-Relaxation Factor
为0.3 -
指定参数 Total System Current
为8 Amp -
指定参数 Electrolyte Thickness
为4e-5 m -
指定参数 Electrolyte Resistivity
为0.1 ohm-m
![](/wp-content/uploads/2022/12/8aae67d24c26c6d.png)
-
进入 Electrochemistry
选项卡,指定以下参数 -
设置参数 Anode Exchange Current Density
为1e20 -
设置参数 Cathode Exchage Current Density
为512 -
其他参数保持默认设置
![](/wp-content/uploads/2022/12/d45a068f6687837.png)
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进入 Electrolyte and Porous Zones
选项卡,如下所示设置参数 -
指定 Anode Electrolyte
为wall-electrolyte-anode-shadow -
指定 Cathode Electrolyte
为wall-electrolyte-cathode -
选择 Zone Selection
为Anode ,设置参数Tortuosity Value
为3
![](/wp-content/uploads/2022/12/a4590c038012d30.png)
-
进入 Electric Field
选项卡,如下图所示设置参数
![](/wp-content/uploads/2022/12/c4d820e524898f9.png)
这里在contact surface and Resistance列表中选择的是边界面wall-cathode-cc
及wall-anode-cc:032
。
2.4 定义材料介质
加载SOFC模型后,Fluent自动创建了一些材料介质:anode-collector-default、andoe-default、cathode-collector-default、cathode-default。
![](/wp-content/uploads/2022/12/2d4fb9b4512665e.png)
1、设置材料anode-default
-
修改其名称为anode-material,并如下图所示修改材料参数
![](/wp-content/uploads/2022/12/367cbc26adbfe6f.png)
2、设置材料cathode-default
-
如下图所示修改名称及参数
![](/wp-content/uploads/2022/12/b1a93cca9a042f8.png)
-
设置两个点的参数分别为: [1073.15 570],[1273.15 565]
,如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/9e95ae06a529475.png)
3、修改材料current-collector-default
![](/wp-content/uploads/2022/12/b61dec010f3f142.png)
4、修改材料cathode-collector-default
![](/wp-content/uploads/2022/12/bafc0e661528520.png)
5、创建材料current-collector-material
-
材料参数如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/57f766af8b113c1.png)
6、设置mixture-temperature
-
混合组分如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/56642a52922f123.png)
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混合材料参数保持默认设置
![](/wp-content/uploads/2022/12/e0296909ff701df.png)
2.5 设置区域
-
指定计算区域 anode
的多孔介质参数,如下图所示,其他参数保持默认设置
![](/wp-content/uploads/2022/12/39f3c8df7f77055.png)
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区域 cathode
的参数设置如下图所示,与anode设置相同
![](/wp-content/uploads/2022/12/3a0f988e3232bf5.png)
-
指定固体区域 anode-cc
的材料参数,如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/feb59b2fa91cde8.png)
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指定固体区域 cathode-cc
的材料参数,如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/9dbf78fc0d0ff5c.png)
2.6 指定边界条件
1、指定边界inlet-an
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指定质量流量为2.48949E-7 kg/s
![](/wp-content/uploads/2022/12/5b8844123be646a.png)
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指定温度为973 K
![](/wp-content/uploads/2022/12/eacf62d3382e706.png)
-
进入 Species
选项卡,如下图所示指定组分
![](/wp-content/uploads/2022/12/314a7725245122e.png)
2、指定边界条件inlet_ca
-
指定流量为1.3705e-5 kg/s
![](/wp-content/uploads/2022/12/ddc484f7fc9f204.png)
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指定温度为973 K
![](/wp-content/uploads/2022/12/84713af8a3c1857.png)
-
指定组分的质量分数
![](/wp-content/uploads/2022/12/bf92c34301eb250.png)
其他参数保持默认设置。
2.7 Controls设置
-
进入 Controls
任务页,点击按钮Limits...
打开设置对话框,如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/d1a19c33f86ea47.png)
2.8 设置残差
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指定残差标准,如下图所示
![](/wp-content/uploads/2022/12/fc8bf2f19fc4bb0.png)
2.8 初始化计算
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采用Hybrid初始化
![](/wp-content/uploads/2022/12/e96d160a4d39583.png)
2.9 进行计算
-
迭代计算300步
![](/wp-content/uploads/2022/12/5537e6d4e9758e0.png)
3 计算结果
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wall-electrolyte-cathode面上电势分布
![](/wp-content/uploads/2022/12/9fa10c203c1e00c.png)
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wall-electrolyte-cathode面上温度分布
![](/wp-content/uploads/2022/12/de87ab17038c304.png)
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wall-electrolyte-cathode面上电流密度
![](/wp-content/uploads/2022/12/b61883c6f625d06.png)
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wall-electrolyte-cathode面上超电位
![](/wp-content/uploads/2022/12/e1118d34ba7e7dd.png)
-
wall-electrolyte-anode-shadow面上氢气质量分数
![](/wp-content/uploads/2022/12/fc9d442b56187ab.png)
文件链接: https://pan.baidu.com/s/1s6s34JQHbqt6pxG4XoSuKA?pwd=bazi 提取码: bazi
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(完)
本篇文章来源于微信公众号: CFD之道
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