一种多歧管流场的流量分配均匀度优化设计方法与流程

本发明涉及一种多歧管流场的流量分配均匀度优化设计方法，属于化工，新能源工业技术领域。

背景技术：

在Channels-Manifolds-Channels,即‘进口端主流道—多歧管—出口端主流道’型流场中，流体经由进口端流道流入，流经多歧管后，再通过出口端流道排出。在这一流动过程中，复杂的流体力学传输机理常常导致流量在多歧管中分配不均。比如，如果缺乏精确的设计，流量分配通常在不同的多歧管中呈现出随着某一方向递减的现象。多歧管内流量分配不均，常常会降低整个系统的工作效率。

一个典型的例子就是固体氧化物燃料电池堆。多层电池片在高度方向上堆叠构建成电池堆，进口/出口端气道和这些电池片连通构成完整的气流通路。电池片中的子气道在这个整体流场中扮演多歧管的作用，将从进口端气道中流进的燃料引导向不同层的电池片中分配。气流在电池片中发生电化学反应、化学反应，并最终通过排进出口端气道排出电池堆。由于整个电池堆中电池片以串联方式堆叠，因此在这一流动过程中，得到最小流量的电池片工况决定着整个系统的燃料利用率。气流在不同电池中分配不均会严重制约系统整体的能量转换效率。诸多研究发现，进出口流道截面积，以及二者之比对流量在多歧管中的分配影响非常显著。更重要的是，通过超高精度的三维全耦合计算发现，流体在传输过程中发生的物理、化学变化也影响其分配均匀度。因此，发展出精确高效的设计方案，优化流场均匀度对于提高系统效率非常重要。

文献1：Wuxi Bi,Daifen Chen,Zijing Lin,A key geometric parameter for the flow uniformity in planar solid oxide fuel cell stacks,International Journal of Hydrogen Energy,34(2009),3873–3884.作者建立了一系列的三维‘进口端流道—多歧管—出口端流道’型流场的数值模型，对优化平板型固体氧化物燃料电池堆中的气流分配做了系统性的优化模拟工作，并给出了供参考的流道设计方案，表现为出口、进口流道面积比例的固定值。该设计的限制：(1)通过更精确的全耦合工况计算发现，由于该设计不能考虑电化学、化学反应对流量分配的影响，其设计参数的准确性不够，仅仅适用于平板电池堆中发生冷流动时的情况(单纯流动的过程，气体在电池堆中不发生电化学、化学反应)。对于稳态运行(发电)的电池堆，其设计不足以提供高均匀度的流量分配。(2)该设计是基于固定的气道进口面积去优化气道出口面积，不能适应多变的工作条件，并且不能定量设计气道进口面积。(3)适用性狭窄，仅针对平板型固体氧化物燃料电池堆，不能用于其他能源转换系统。

文献2：M.Peksen,A coupled 3D thermofluide-thermomechanical analysis of a planar type production scale SOFC stack,International Journal of Hydrogen Energy,36(2011),11914–11928.作者在模拟中展示了一个实际运行的36层平板型燃料电池堆，该电池堆的进出口气道分布为两个进口/三个出口的设计，与上一篇文献中的建议一致。该电池堆气道设计模糊地暗示了潜在的设计方向，并不能定量地根据不同工况给出准确的设计参数。

现有的技术存在两大严重缺陷：

(1)设计精度不足。由于不能准确将流动中发生的物理、化学变化考虑进设计方案中，这些设计不足以保证稳态运行时流量分配的高均匀度。

(2)适用性非常受限。不能面对不同的系统、工况以及流体类型自洽地进行调整。比如一旦改变电池堆构型或者燃料类型，其设计将不再适用。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有设计在精确度和适用范围上的不足，提供一种多歧管流场的流量分配均匀度优化设计方法，对在化工和能源工业(如固体氧化物燃料电池堆)中应用广泛的‘进口端流道—多歧管—出口端流道’提出改良的设计方案，优化流场中的流量分配，使之达到预期的高均匀度，提升系统工作的效率。该设计适用的条件：流体在出口端流道内的能流密度相比其在入口端流道内有了可见的增加，或者流体在流场中不发生物理、化学变化。

本发明技术解决方案：该技术实质上是对文献1设计方案的改良，使之更加灵活和精确，并能面向更加广泛的系统类型。该设计中最为关键的是准确设计流道的进口面积以及α的值。通过缩放α提升流量分配均匀度，是本发明和现有设计的共有特征。区别在于，本发明提供了一种更加准确并且适用性极为广泛的设计方案。这种革新的设计方法，可以将以下四种影响流量分配的因素囊括进设计方案中：

(1)流道的进口面积。

(2)流道出口面积与进口面积的比—α。

(3)流体在传输中经受的物理化学过程。

(4)不同的流体种类。

将这些影响因素以参数的形式准确纳入设计方案中，使得这种设计方法能够根据预期的工况和工作条件自适应地确定恰当的设计参数。

设计思想如下：

通过自适应的设计原理定量改良出/进口端流道截面积，以及二者的比α。当面向某一类系统进行设计时，取单纯流动状态下某个已知系统的特征参数和工况作为标准参考值(以下标‘0’指代)。在作为参考的系统中，流场内流量分配均匀度为U₀，出口端流道截面积与进口端流道截面积的比为α₀，参考系统中不均匀度程度为(1-U₀)，通过该设计方案预期将新系统的流场均匀度至少提升δ(1-U₀)。

本发明技术包含两个相互配套的设计方案，以及一套执行方法。

设计方案1：设计α时，自适应设计方案为：

${\left\{\frac{(K_{OUT}+1){\left(e_k\right)}_{OUT}/{\left(e_k\right)}_{IN}}{(1-\mathrm{\δ})\frac{e_{{\mathrm{IN}}_0}}{e_{IN}}\frac{\stackrel{\‾}{v_i{\mathrm{\μ}}_i}}{\stackrel{\‾}{{\left(v_i{\mathrm{\μ}}_i\right)}_0}}\[\frac{K_{{\mathrm{OUT}}_0}+1}{{\mathrm{\α}}_0^2}-(1-K_{{\mathrm{IN}}_0})\]+(1-K_{IN})}\right\}}^{0.5}\≤\mathrm{\α}\≤{\left(\frac{1+K_{OUT}}{1-K_{IN}}\right)}^{0.5}$

下标0代表参考值。下标_OUT，_IN分别表示出口端气道、入口端气道。K表示流体在气道中流动的动能损失系数。e_k表示流体动能密度，v_i和μ_i分别表示多歧管内流体流速和粘性。流体流动过程中发生的物理化学变化可以由e_k、v_i、μ_i表征。δ表征预期将流量均匀度相对参考系统提升的程度，详细诠释请参照‘设计思想’部分。

为提高系统体积功率密度，α也可取在设计公式得到的最小值附近。若无需受限于系统体积问题，α可取其最大值附近。

采用纯流动下任意系统的特征参数作为参考值的意义在于，参考值可以通过非常方便的手段获得，包括简单的数值模拟、简易实验或者已知的标准数据。下标_OUT，_IN分别表示出口端气道、入口端气道。K表示流体在气道中流动的动能损失系数。e_k表示流体动能密度，v_i和μ_i分别表示多歧管内流体流速和粘性。流体流动过程中发生的物理化学变化可以由e_k、v_i、μ_i表征。只要通过相应的物理化学方程解析这些过程，就可以精确设定气道参数。同时，流道进口处流体属性、进口速度的变化、能量转换方式对流体的影响，以及进口面积都可以反映在这三个参量中。比如，电化学过程会导致流体在出口端密度的增加，化学反应过程会改变多歧管内流体的速度、粘性。

流道进口端的面积因素，可以由质量通量说明。flux_IN＝ρvS_IN，若流体种类不变，当维持同样的进口质量通量时，则流体在进口处动能密度变化为：

设计方案2：定量设计进口面积时，自适应设计方案为

$\frac{S_{IN}}{S_{{\mathrm{IN}}_0}}\≥{\left\{\frac{(1-K_{IN})-\left(\frac{1+K_{OUT}}{{\mathrm{\α}}^2}\right)\frac{{\left(e_k\right)}_{OUT}}{{\left(e_k\right)}_{IN}}}{(1-\mathrm{\δ})\[\frac{K_{{\mathrm{OUT}}_0}+1}{{\mathrm{\α}}_0^2}-(1-K_{{\mathrm{IN}}_0})\]}\frac{{\left(\stackrel{\‾}{v_i{\mathrm{\μ}}_i}\right)}_0}{\stackrel{\‾}{v_i{\mathrm{\μ}}_i}}\right\}}^{0.5}$

下标0代表参考值。下标_OUT，_IN分别表示出口端气道、入口端气道。K表示流体在气道中流动的动能损失系数。e_k表示流体动能密度，v_i和μ_i分别表示多歧管内流体流速和粘性。流体流动过程中发生的物理化学变化可以由e_k、v_i、μ_i表征。δ表征预期将流量均匀度相对参考系统提升的程度，详细诠释请参照‘设计思想’部分。

与α不同的是，进口面积的增大没有理论上的上限。但是需要平衡其和系统功率密度的关系。

在设计中，可以采用三种执行方法：

(1)根据预期的体积功率密度确定合适的流道进口端面积，代入设计方案1，取得α的值。

(2)将系统所能允许的最佳α值代入设计方案2中，取得S_IN。

(3)按照不同的工作条件，以α和为坐标建立均匀度分布曲线，确定最佳流道参数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明更为准确，且适用范围更广泛，能依据不同的进出口条件、不同的流体、流体能量转换方式、以及流动过程中发生的物理化学过程提供精确的设计，用以提升流量分配均匀度。经过该设计方案的修正，可以消除文献1优化方案的不足和误差，显著提升流量分配的均匀度，并具备更为广泛的适用性，可适用于所有采用‘进口端流道—多歧管—出口端流道’型流场的能量转换装置。同时，流道进口面积也可以通过本设计定量优化。

附图说明

图1为本发明所涉及的，包含外部气道的多歧管流场模型二维图；

图2为整个电池堆的几何模型。

具体实施方式

如图1所示，包含外部气道的完整多歧管流场包括进口端流道1、多歧管2和出口端流道3。

如图2所示，高精度的三维耦合仿真模拟发现，对于一个30层平板型固体氧化物燃料电池堆，当采用文献1建议的参数α≈1.65设计进出口气道时，其在电池堆启动瞬间(流体在电池堆内传输时不发生物理化学上的变化)流量分配均匀度约99％，而在稳态运行中的流量分配均匀度降低到90％左右。

通过精确的全耦合计算发现，稳态运行的固体氧化物燃料电池堆中，流量分配的均匀度会随着电化学反应和化学反应的发生而衰减。为了得到抑制这种衰减的气道设计参数α，考虑了接近燃料利用率极限下的稳态电池堆电流、气体组分变化、粘性变化、子气道中气体速度，将这些值代入自适应设计方案1中，获得新的设计参数——α≥2。整个电池堆的几何模型如图2所示：

采用这种设计后，稳态运行中的电池堆内流场均匀度对氢气和甲烷燃料均维持在96％以上。

总之，本发明可以针对不同的工作条件、能量转换方式优化气道设计，在‘进口端流道—多歧管—出口端流道’型流场中实现极高均匀度的流体流量传输分配，从而提高系统的能效。在新能源产业中，该设计可应用于固体氧化物燃料电池堆(SOFC)中的气流分配优化，为电池堆运行提供高均匀度的气流分配，从而实现整个电池堆中均匀的工况和高燃料利用率。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。