多支管內(nèi)流體流動的數(shù)值模擬計算

胡家順 楊 明 王 冕 董 川 熊 勃

（武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院)

0 引言

根據(jù)多年來對鋅銀航空蓄電池組使用壽命試驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)電池組的失效是由于個別單體電池容量偏低所致，造成這種情況的一個主要原因是電池容量不均，導(dǎo)致使用過程中容量衰減較快。由于電池組的使用壽命受容量較低的單體電池控制，所以單體電池的容量不均造成電池組的過早失效，浪費較大。宋二虎、范建國[1]通過對鋅銀蓄電池容量不均勻的問題進(jìn)行分析，提出了改善電池組中各單電池容量均勻一致性的方法，主要體現(xiàn)在化學(xué)方面。彭政、趙書利、余罡、肖金生[2]通過增加進(jìn)口數(shù)量、采用錐形進(jìn)氣總管，對相關(guān)模型進(jìn)行了動態(tài)模擬，模擬結(jié)果表明所作改進(jìn)對電液均勻性有所提高。在提高流量均勻性方面，從發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)來看，都只是處于基本理論分析和簡單探索的階段，故而還沒有成熟的改善方案。

本文利用有限元軟件Fluent首先模擬分析了銀鋅電池內(nèi)電液分配系統(tǒng)的兩種流動方式的優(yōu)劣，選擇均勻性較好的一種進(jìn)行了在其進(jìn)口總管中設(shè)置分配管的優(yōu)化處理。

1 相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.1 電池本體結(jié)構(gòu)及電解液流動方式

電解液的流動分為U型流動和Z型流動兩種，電池本體結(jié)構(gòu)及電解液流動方式示意圖見圖1。

圖1 電池本體結(jié)構(gòu)及電解液流動方式

流體特性：80℃，20%NaOH溶液。

流量：30 m3/h，15 m3/h。

1.2 流體參數(shù)

電液框個數(shù) （即電池對數(shù)）：240個。

2 仿真計算模型

2.1 進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)分配管時的計算模型

為便于仿真計算，將電解液從進(jìn)口總管 （由電液框上的進(jìn)口孔堆疊形成）經(jīng)過電液框上狹窄細(xì)小的進(jìn)口流道流入電液框，然后經(jīng)相應(yīng)的出口流道流入出口總管的流動過程，簡化為流體從進(jìn)口總管（圓管）流入后，流經(jīng)若干小直徑支管再匯流入出口總管 （圓管）流出的流動過程。

已知電液框上進(jìn)、出口狹窄細(xì)小流道的截面積相等，均為：

則可將狹窄細(xì)小流道當(dāng)量化為等徑圓管，其當(dāng)量直徑為：

由于出口總管為長圓形截面，需將其當(dāng)量化為圓形截面。已知出口總管截面積為：

則其當(dāng)量為圓管的直徑為：

考慮到計算機的計算能力，仿真時將原電池對數(shù)240簡化為50個小直徑支管進(jìn)行計算。進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)分配管時的計算模型如圖2所示。

2.2 進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的計算模型

在進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置一?34 mm的分配管，管上開有132個?3 mm的分配小孔。沿分配管軸線方向，每相距9 mm的截面上開2個小孔，小孔中心線夾角為120°。為方便計算，現(xiàn)將每個截面上的這2個?3 mm的小孔當(dāng)量化為1個沿截面垂線方向直徑為?4.2 mm的小孔，開孔截面間距不變，仍為9 mm。其余同本文第2.1節(jié)所述。進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的計算模型如圖3所示。

圖2 進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)分配管時的計算模型

圖3 進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的計算模型

分支管數(shù)為240根，考慮到計算機的計算能力有限，截取50根支管進(jìn)行模擬計算。

2.3 控制方程

管中流動為二維不可壓縮、穩(wěn)態(tài)流動，進(jìn)口總管的流量為30 m3/h，處于湍流階段，因此在進(jìn)行CFD模擬時，選用了κ-ε雙方程模型來求解水管中水的流動控制方程。

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

湍動能方程：

湍動能耗散率方程：

2.4 邊界條件

進(jìn)口邊界條件：設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件。流動介質(zhì)是水，故用速度進(jìn)口邊界條件。

出口邊界條件：設(shè)置為壓力出口邊界條件。

3 計算結(jié)果

采用流體數(shù)值分析計算軟件Fluent，對上述計算模型進(jìn)行模擬計算。

3.1 按總管內(nèi)未設(shè)置分配管的模擬計算

按流量Q=30 m3/h、流動方式為U型、Z型和進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)置分配管時的模擬計算如下所述。

3.1.1 邊界條件

由流量Q=30 m3/h=0.0083 m3/s計，得進(jìn)口流速：

以 v1=4.6 m/s、p1=0.1 MPa為進(jìn)口邊界條件進(jìn)行計算。

3.1.2 計算結(jié)果

按本文第3.1.1條所給邊界條件計算，得電池內(nèi)流量分布情況，如圖4、圖5所示。

圖4 流動方式為U型的速度矢量云圖

對比圖4和圖5可見，流體在U型流動方式中支管內(nèi)的流動較之在Z型流動方式中支管內(nèi)的流動更為均勻，且U型進(jìn)出口總管內(nèi)流體的流動滯流區(qū) （流動死角）明顯比Z型的小。但是各支管流量偏差仍然較大，由此選定U型流動方式進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 按總管內(nèi)設(shè)置分配管的模擬計算

按流量Q=30 m3/h、流動方式為U型和進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的模擬計算如下所述。

圖5 流動方式為Z型的速度矢量云圖

為解決各支管流量不均勻的問題，在進(jìn)口總管加入分配管以平衡各支管的速度，使各支管均勻性得到改善。在進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的計算模型見本文第2.2節(jié)和第2.3節(jié)。

3.2.1 邊界條件

邊界條件同本文第3.1.1條所述。

3.2.2 計算結(jié)果及分析比較

（1）流體流動速度變化比較

流動方式為U型、進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)和設(shè)置分配管時流動情況的分析比較如下所述。

對比圖4和圖6可見，進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的流動速度，無論是進(jìn)出口總管還是中間分配管其分布均勻程度均比進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)分配管時有較大的改善，且進(jìn)出口總管內(nèi)流體的流動滯流區(qū) （流動死角）明顯減小。

圖6 流動方式為U型的速度矢量云圖（進(jìn)口總管設(shè)置分配管）

（2）流體流動壓力變化比較

對比圖7和圖8可見，進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管時的流動壓力，無論是進(jìn)出口總管還是中間分配管其分布均勻程度均比進(jìn)口總管內(nèi)未設(shè)分配管時有較大的改善，且進(jìn)出口總管內(nèi)流體的流動高壓區(qū)明顯減小。

圖7 流動方式為U型的壓力矢量云圖（進(jìn)口總管未設(shè)分配管）

圖8 流動方式為U型的壓力矢量云圖（進(jìn)口總管設(shè)置分配管）

4 結(jié)論

通過以上對銀鋅電池組各電液框內(nèi)的電解液流動的數(shù)值分析計算可知，在進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管，各支管內(nèi)的流動狀態(tài)將有所改善。結(jié)論如下：

（1）進(jìn)出口總管的布置U型的較之Z型的要好；

（2）在進(jìn)口總管內(nèi)設(shè)置分配管較之未設(shè)分配管的要好；

（3）如何確定分配管上的開孔直徑、開孔數(shù)量、開孔的間距以及開孔中心線與分配管垂直平面間的夾角，以使流量分配和流動達(dá)到最佳，還有待進(jìn)一步探研。

[1] 宋二虎，范建國.提高鋅銀電池容量一致性的途徑[J].電池，1997，27 （3）： 120-121.

[2] 彭政,趙書利,余罡,等.銀鋅一次電池電液分配系統(tǒng)的二維模擬與優(yōu)化 [J].船電技術(shù)，2010,30（7）：51-54.