2.3　流體動力學分析

既然數(shù)值建模和計算結果沒有錯誤,那么進一步通過表象分析找到控制電堆內部空氣分配特征的關鍵控制因素就變得非常有意義。一般而言,電池單元進、出口主管道兩側的壓力差(即電池單元內部的靜壓降)Δpi=-是反映該層電池單元空氣分配量的重要指標[26]。為了進一步得到導致圖2.1(d)兩種不同空氣流分配特性的原因,圖2.4給出了20層電堆空氣流動路徑內的靜壓p分布形貌(其中電堆出口位置為參考0壓強位置)。箭頭表示空氣流道內流體的流動方向。值得注意的是,與出口主管道區(qū)域不同,在進口主管道區(qū)域空氣壓強p沿著流動方向逐漸遞增。為了進一步分析這一現(xiàn)象背后的原因,我們需要進一步探討出/入口主管道內部流體的動量平衡關系。

對于穩(wěn)態(tài)流動區(qū)域內的一個控制體cs,其指定方向上的凈動量流量應等于該方向上的質量力和表面力之和:

∫∫_csundA=+(2.4)

對于出口主管道區(qū)域,圖2.5(a)中右邊虛線方框控制體cs在y方向的動量平衡關系可表示為:

-+=+A_out-A_out　(j>i)(2.5)

式中,和分別表示電堆出口主管道內第i層電池單元位置的y方向空氣質量流

量和平均速度。方程(2.5)左側是控制系統(tǒng)在y方向上的凈動量流量。是出口主管道的摩擦阻力以及空氣流經(jīng)T形匯流節(jié)的局部損失,其方向與空氣流動方向相反。A_out和A_out分別表示控制體底部和頂部受到的y方向的表面壓力。A_out是出口主管道的總橫截面面積。

因此,沿著流動方向[如圖2.5(a)從第j層到第i層位置方向]的靜壓降為:

-=　(j>i)(2.6)

很明顯,在出口主管道內,電池單元內的尾氣不斷匯入出口主管道,因此當空氣從電池單元j位置流動到i位置時,流量遞增,>。因此(-)>0。所以,>0和(-)>0的疊加作用,決定了出口主管管道內,靜壓p應始終沿著空氣流動方向(j→i)遞減,即->0。

類似地,在入口主管道區(qū)域內的控制系統(tǒng)[圖2.5(a)左邊虛線區(qū)域],y方向的動量平衡可表示為:

-=-+A_in-A_in　(j>i)(2.7)

由此可得到沿著進口主管道空氣流動方向的靜壓分布滿足如下關系:

-=　(j>i)(2.8)

阻力與流動方向相反,并促使空氣沿流動方向靜壓強p逐漸遞減。但是,在空氣進口主管道區(qū)域內,由于空氣被不斷地分配給電池單元,因此沿著流動方向(i→j)上,>和>。這導致空氣流動方向上(i→j)動量流量不斷下降,-<0,這將導致靜壓p沿著空氣流動方向不斷遞增。

由于>0和(-)<0對電堆入口主管道內靜壓的變化起著相反的作用,兩者之間量級的大小將最終決定流體靜壓p在流體流動方向上是呈現(xiàn)遞增還是遞減趨勢。由此判斷圖2.1(d)的計算結果從理論上是完全合理的。

為了進一步說明T形分流/匯流節(jié)的影響,圖2.5(b)中顯示通過數(shù)值計算得到的出/入口主管道內三條不同軸線上的靜壓強p分布:①靠近管壁的軸線;②中軸線;③靠近T形節(jié)一側軸線。圖中結果進一步支持了之前的分析結論:當流體以較大流速和密度流經(jīng)T形分流/匯流節(jié)時,將導致空氣動量流量較大的波動,并進一步影響主管道內靜壓p的分布特性。