[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的多尺度模拟方法

权利要求书

1.一种固体氧化物燃料电池的多尺度模拟方法，其特征在于对固体氧化物燃料电池中耦合的热质传输、电化学反应复杂物理化学现象进行从介观尺度到宏观设备尺度的多尺度模拟以及多尺度模型的集成及协同仿真方法；该模拟方法包括如下步骤：

(一)建立基于现象的建模方法，确定不同尺度模型的建模方法，实现从系统的底层反应出复杂系统的特性，较准确地描述出系统中各种场的分布，为系统的量化设计和放大提供参考；

(二)在介观尺度上采用格子-Boltzmann方法，对发生在阳极和电解质三相区内的电化学反应进行模拟，分析反应物的浓度、电流密度随温度和反应时间的变化，以及不同温度下反应达到平衡后反应物浓度的分布情况；

(三)在宏观尺度上采用计算流体力学CFD方法，模拟燃料电池的流速分布并耦合反应产生的热量，计算不同流速下燃料电池的温度分布；

(四)采用基于网络TCP/IP协议的机间通讯，将Windows的进程线程机制与Socket套接字的通讯机制融合在一起，实现介观尺度上的格子-Boltzmann模拟和宏观尺度上的CFD模拟的并行协同仿真，实现多尺度模拟；

在步骤(一)中，对不同尺度模型所采取的建模原则为：当机理模型能很好的描述复杂系统的过程时，仍然采用传统的基于机理的建模方法进行过程模拟或CFD模拟；当机理模型描述复杂系统的过程现象存在困难或有一定缺陷时，则采用介观尺度上的格子-Boltzmann方法或微观尺度上的分子动力学或量子力学方法；在基于现象的建模方法框架中，采用一个全局类型的数据库来实现不同尺度模型的集成和耦合；在采用不同的通用模拟工具进行多尺度模拟时，采用模型集成的方法实现多尺度协同仿真；

在步骤(二)中，采用格子-Boltzmann方法来模拟SOFC中的电化学反应扩散现象，即在碰撞算子中加入反应项，常用的形式是BGK碰撞算子加上反应项：

Ωi(x,t)=ΩiNR(x,t)+ΩiR(x,t)]]>

ΩiNR=-1τ(fi(x,t)-fieq(x,t))]]>

ΩiR=Rs(ρ)/M]]>

于是，基于格子-Boltzmann方法的反应扩散演化方程为

fs,i(x+eiΔt,t+Δt)=fs,i(x,t)]]>

-1τs[fs,i(x,t)-fs,ieq(x,t)]+Rs(ρ)/M]]>

其中Ω_i(x，t)是碰撞算子，上标NR和R分别表示非反应项和反应项；f_s，i是沿i方向的粒子速度分布函数；f_s，i^eq是f_s，i的平衡状态；τ_s为松弛时间；M为格子模型中的速度数；R_s(ρ)为反应扩散方程里的反应项，由具体化学反应决定；t为时间，⊿t为时间步长；

本发明采用标准LBM九速八方格子模型对SOFC的电反常反应扩散过程进行模拟，采用Matlab的M文件编写建立模拟程序；

模型中化学反应速率常数采用Arrhenius定理计算，即：在恒定浓度下，基元反应的速率与反应体系所处的温度之间的关系可用下述积分指数式表示

k=Ae-Ea/RT]]>

其中k为温度T下的反应速率常数，R为气体通用常数，取值8.314J/(mol·K)，A为指前因子，E_a为反应活化能；

在步骤(三)中，基于质量、动量和能量平衡并耦合流体流动、热量产生和传递以及电化学原理建立管型固体氧化物燃料电池的计算流体力学CFD模型。模型中采用质量、动量、能量和组分守恒方程描述电池内的流动、传热传质物理过程，并对电池内部的温度、气体流速及浓度分布情况进行数值模拟；在守恒方程组的基础上，加上边界条件、初始条件构成封闭的方程组来描述燃料电池内部的传热传质规律；CFD计算区域由燃料、空气流道、电极和电解质组成，将所有区域看成一个整体，将连续求解区域离散为一组有限单元的组合体，这样的组合体能模拟或者逼近求解区域；然后对连续性方程、动量方程和能量方程等一系列控制方程组进行求解，实现CFD模拟；

在步骤(四)中，实现协同仿真的方式为：采用Fluent的用户自定义函数UDF编写C程序定义若干源项和一个调整函数，前者对部分边界条件进行设定，后者则是实现每一步迭代时与Matlab侧模型进行数据交换与共享；以一个松耦合的微机组成的常规计算网络作为并行系统，Matlab侧的格子-Boltzmann模型与Fluent侧的计算流体力学模型分别在不同的计算机上进行求解，同时Matlab侧的机间通讯M程序与Fluent侧的UDF调整函数分别通过基于TCP/IP的WinSock通讯和文件I/O函数访问共享数据来进行模型间的数据交换，从而完成两个尺度的耦合计算；Matlab实时给Fluent提供能量源项的求解数据；同时Fluent又实时给Matlab提供温度场计算结果；

由于通过共享文件的读取来达到多尺度模型耦合参数的信息交换，因此协同仿真过程中涉及到两个方面的同步机制：

①负担Fluent建模求解的客户端Client计算机上MATLAB与Fluent之间读写共享文件的数据同步；

②分别运行于客户端Client计算机和服务器Server计算机的Matlab之间基于TCP/IP通讯的数据同步；

首先采用波形松驰法作为上述两个同步的主要策略；该方法在每一个求解区间内忽略各尺度模型之间的耦合，在该区间上各子系统各自独立地进行求解，这里选用Fluent的每一步迭代为求解区间进行通讯和I/O操作；在此同步机制的作用下，机间通讯和读写共享文件只需在每一步迭代之间进行，而在每一步迭代的过程中，两个模型各自独立，这就有效地节省了通讯开销，提高了并行计算的粒度。