能电池系统流场有限元分析与结构优化设计表不同优化设计方案的比较方案偏差最大误差进口压力原方案方案方案二方案三新储能电池系统液流框流场有限元分析与优化设计新储能电池系统液流框流场有限元分析图新储能电池系统液流框三维几何模型图新储能系统液流框流道三维模型图为新储能电池系统液流框的三维几何模型，根据该模型进行简化，在中得到流道的三维模型，如图所示。与多孔介质域相连的分别为个小支管，编号如图所示。而且，引导流液进出多孔介质的个小支管关于轴对称。另外，与原储能电池系统液流框相比，新液流框在总支管与个进出支管之间设置了缓冲区。储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计图新储能系统液流框流道流场仿真边界条件对其进行网格划分，得到流道的有限元模型，边界条件与仿真设置如图及表所示。表新储能系统液流框流道仿真设置有限元模型边界条件网格数进口流速壁面设置出口压力与流速连接处压差设置了边界条件仿真步长和误差控制之后，进行模拟仿真计算，仿真结果见图所示。图是新液流框流道速度流线图。图是新液流框流道多孔介质区域的速度流线图。图是新液流框流道速度矢量图。由仿真结果可知，压力沿着流经渠道降低，其中多孔介质域的压降很大，而进出母管中的压降很小，可以忽略不计，进口相对压力。整个流道中，缓冲区与支管连接处的流速最大。图新储能系统液流框流道流线图根据中的定义，得到新储能系统液流框进出口各支管加权流量的分布情况，如图所示，其中纵坐标为进出口各支管的加权质量流量。从图中可以得到，各支管的加权质量流量在之间，波动较大,其进出口各支管加权质量流量的偏差为，最大误差为。而且，在支管四个小支管处的流量偏差较大，从而造成了整个电极区的流量均匀性较差，必须进行结构改进。图新储能系统液流框流道多孔介质处的流线图储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计图新储能系统液流框流道流速矢量图图新储能系统液流框进出口各支管加权流量分布图新储能电池系统液流框结构优化设计由上述分析可知，新储能电池系统各小支管加权流量波动较大，单电极电极区的流量均匀性较差，为了保证进入电极工作面的液体流量分布较均匀，无贫液和积液区，必须对其进行结构优化设计。图新储能系统液流框优化设计方案三维模型图储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计本次优化是建立在图所示的液流框三维模型基础上的。为了减少设计变量，分别在进出多孔介质处建立了孤立的尺寸完全相同的两组支管，每组个，宽度都为。而且，每组的个支管关于中心线对称，如图所示。因此，理论上，只需要五个优化设计变量就可以达到各支管加权流量偏差最小的设计目标。图新储能系统液流框优化设计方案的设计参数示意图这四个优化设计变量为支管与中心线的距离，支管与中心线的距离为，支管与中心线的距离，支管与中心线的距离,支管与中心线的距离。如图所示。每次优化都与上述储能电池系统的分析过程基本致，如图图和表所示。图新储能系统液流框优化设计方案流道三维模型图新储能系统液流框优化设计方案流场仿真边界条件表新储能系统液流框优化设计方案仿真设置有限元模型边界条件网格数进口流速壁面设置出口压力与流速连接处压差经过多次迭代与优化后，得到设计变量的最佳值为支管与中心线的距离，支管与中心线的距离为，支管与中心线的距离，支管储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计与中心线的距离,支管与中心线的距离。优化后的仿真结果与各支管加权流量分布见图，进口压力为。图是新液流框优化设计方案流道速度流线图。图是新液流框优化设计方案流道多孔介质区域的速度流线图。图是新液流框优化设计方案的流道速度矢量图。图新储能系统液流框优化设计方案流道流线图图新储能系统液流框优化设计方案流道多孔介质处的流线图从图中可以看出，进出口各支管的加权流量在之间，波动很小。根据的定义得到进出口各支管加权质量流量的最大偏差为，最大误差为。因此，可以判断，流液在多孔介质电极区流量均匀性较好，不会出现积液区与贫液区，优化设计方案具有定可行性。图新储能系统液流框优化设计方案流道流速矢量图储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计图新储能系统液流框优化设计方案进出口各支管加权流量分布图储能电池系统的流场分析理论分析图三个单电池的储能电池系统流道理论简化模型图为三个单电池的储能电池系统流道理论简化模型，段为单电池部分，主要为多孔介质渗流，因此，由公式可以得到水头损失为出版社,其中为第个单电极进出口处的高度差，由于电堆系统中每个单电极的结构完全样，可知为母管部分，由公式可得到其中，分别为对应段的流量和压差，为对应的高度差，由于母管是水平放置的，因此。公式可化为储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计此管路为典型的环状管网结构，由公式，即任封闭环内，水流由节点沿两个方向流向另个节点时，两方向的水头损失应相等，可得到分析可知，在母管直径与总流量较大，电池数量不是特别多的时候，整个流道中的压差主要来源于流液在多孔介质中的渗流，即，又由公式可知，可以忽略不计，那么公式可化为得到又由公式进步得到其中每个单电极的断面面积渗径长度渗透系数均相等。所以即通过各个单电极的流速基本相等。本系统中的管路是上述模型的扩展，如图所示。图个单电池的储能电池系统流道理论简化模型根据上面的推导得由上式可知，在母管直径与总流量较大，电池数量不是特别多的时候，每个单电池的流量基本相等。有限元仿真分析此电堆由四十个单电池组成，每个单电池又由正负单电极组成，所以电堆的正极液或储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计负极液流道也由四十个单电极连接而成。因此，电堆流道模型规模庞大，若要进行流场仿真分析，必须简化其结构。图储能系统简化流道三维模型图储能系统简化流道流场仿真边界条件本文只保留第个和最后个单电极单电极流道模型以优化设计方案三为基础，而把中间的个单电极去除，并在其中的每个单电极的进出口处，施加理论质量流量。简化后的电堆流道模型，如图所示。对电堆进行简化后，对其划分网格，建立流场有限元分析模型，并施加边界条件，如图和表所示。表储能系统简化模型流场仿真设置有限元模型边界条件网格数进口流速壁面设置出口压力与流速连接处压差设置了边界条件仿真步长和误差控制之后，进行模拟仿真计算，仿真结果如图所示。图为储能系统简化流道流场的流线图，图为储能系统简化流道流场的流速矢量图，图为储能系统简化流道流场的压力梯度图。储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计图储能系统简化流道流场的流线图由仿真结果可知，第个与最后个单电极的流场情况与单电极仿真时基本致，压力沿着流经渠道降低，其中多孔介质域的压降很大，而进出母管中的压降很小，可以忽略不计，与上节的理论分析结论致。另外，在母管中，随着流速方向，流速逐渐减小。图储能系统简化流道流场的流速矢量图从仿真结果中提取数据得到，进口处的压力为。第个单电极的进口质量流量为，最后个单电极的进口质量流量为，与单电极理论流量相差很小，几乎相等。而且，我们可以把第个与最后个单电极的情况推广到电堆中的每个单电极。从而，由有限元仿真结果得到，电池数量不是特别多的情况下，每个单电池的流量可以保持基本相等，与理论分析的结果完全致。储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计图储能系统简化流道流场的压力梯度图结论原储能系统液流框进口相对压力为，各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量偏差为，最大误差为，可见单电极电极区中流液流量均匀性较差。原储能系统液流框进口相对压力为，各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量偏差为，最大误差为，单电极电极区中流液流量均匀性也较差，需改进其结构，改善液流框的流场特性。储能系统液流框优化设计方案进口相对压力为，进出口各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量的最大偏差为，最大误差为。流液在多孔介质电极区中流量均匀性较好，不会出现积液区与贫液区。储能系统液流框优化设计方案二进口相对压力为，进出口各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量的偏差为，最大误差为。，流液在多孔介质电极区流量均匀性也较好。，该方案具有定的可行性。储能系统液流框优化设计方案三进口相对压力为，进出口各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量偏差为，最大误差为，流液在多孔介质电极区流量均匀性也较好，但方案三为单进单出的结构形式，其结构比方案二方案三简单。新储能系统液流框进口相对压力，进出口各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量的偏差为，最大误差为，在电极区两侧的流量均匀性较差，必须进行结构改进。新储能系统液流框优化设计方案进口相对压力为，进出口各支管的加权质量流量在之间，加权质量流量的最大偏差为，最储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计大误差为，流液在多孔介质电极区流量均匀性较好，该方案具有定的可行性。由储能系统的理论分析和有限元仿真结果得到，电池数量不是特别多的情况下，每个单电池的流量可以保持基本相等。参考文献张旺玺,宋清臣种全新活性炭活性碳纤维金山油化纤,储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计岳中仁,李仍元,王平华,刘杰碳纤维直径对结构和性能的影响合成纤维工业,多孔介质中的渗流物理北京,石油工业出版社毛昶熙渗流计算分析与控制北京,中国水利水电出版社徐文娟,韩建勇工程流体力学哈尔滨,哈尔滨工程大学间的所有单元的粘性阻尼力，就可以得到下面的计算纤维的渗透率的公式其中，渗透率，孔隙度，纤维直径，流体密度，流体粘度，体积流量，孔隙速度。材料属性电解液流体性能参数如表所示，其余参数与水的相同。表电解液流体性能参数浓度密度工作温度黏度多孔介质活性碳纤维毡性能参数如表所示。储能电池系统流场有限元分析与结构优化设计表多孔介质性能参数体积孔隙率工作状态比表面积纤维直径渗透率,其中，渗透率由公式计算得到。多孔介质模型的简化根据提供的储能电池测试堆液流框的三维模型，及外部总管的技术参数，在中建立单电极流道的三维模型，如图所示。图储能电池测试堆单电极流道的三维模型由于液流框中流道为扁平状，厚度只有或，而为了保证流体计算模拟仿真的精确性，在厚度方向上至少应该有层单元。如果不进行简化，单元数将至少达到万。因此，必须在不影响影响仿真结果的基础上对模型进行相应简化。流体在多孔介质中均匀渗流有限元分析为了找出简化模型的方法，我们有必要先探究下流体在多孔介质中均匀渗流的情况。首先，建立的长方体，电解液从端均匀的渗透到另端。对其进行网格划分，并施加边界条件如下有限元模型对模型进行网格划分，得到有限元模型，网格数为。