鋅氧化銀電池注液激活系統(tǒng)仿真模擬

彭 政，余江洪，趙書(shū)利

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鋅氧化銀電池注液激活系統(tǒng)仿真模擬

彭 政，余江洪，趙書(shū)利

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢，430064）

利用ANSYS Fluent軟件對(duì)鋅氧化銀一次電池注液激活系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，在三種不同特性的點(diǎn)火器匹配注液激活系統(tǒng)條件下，模擬計(jì)算各個(gè)閥門(mén)能否正常開(kāi)啟、開(kāi)啟時(shí)間以及開(kāi)啟的順序。分析計(jì)算得出各個(gè)閥門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間，能夠很好的指導(dǎo)注液系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

鋅氧化銀一次電池 注液激活系統(tǒng) CFD模擬

0 引言

鋅氧化銀電池是20世紀(jì)40年代初發(fā)展起來(lái)的一種化學(xué)電源，與其他化學(xué)電源相比，具有比能量高、比功率大、放電電壓平穩(wěn)、高倍率放電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于體積和重量要求苛刻的軍事、國(guó)防及尖端科技領(lǐng)域，作通信、照明、儀器儀表直流電源，以及特殊裝備的動(dòng)力電源[2]。

鋅氧化銀一次電池，電解液貯存在儲(chǔ)液罐中，配有注液激活系統(tǒng)，電極和電解液在儲(chǔ)存期間不直接接觸，因而能較長(zhǎng)時(shí)間保存而不失效，電池需要使用時(shí)，將電解液急速注入，使電池“激活”，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生所需要的電能[3]。

目前，飛行器上一次電源多采用自動(dòng)激活鋅銀貯備電池。作為飛行器能量供給的重要設(shè)備，鋅銀電池的安全性能在很大程度上決定飛行器能否成功發(fā)射，因此必須充分考慮鋅銀電池使用過(guò)程中各種不安全因素的影響[4]。技術(shù)的日益發(fā)展對(duì)鋅銀電池提出了更苛刻的要求，如更高的比能量、比功率，更平穩(wěn)的放電電壓和更高的安全可靠性等[5]。所以鋅氧化銀電池有著復(fù)雜的電解液注液系統(tǒng)，涉及到電解液均勻分配、流體阻力與管道通徑、注液時(shí)間等。注液均勻性對(duì)電池性能影響很大，局部性能稍有不均，影響較大，所以鋅氧化銀電池須保證注液可靠性高、一致性好。

采用CFD計(jì)算對(duì)鋅銀電池注液系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬注液激活系統(tǒng)中各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟情況，分析在一定壓力條件下，閥門(mén)能否開(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)間以及開(kāi)啟的順序，以此利用理論計(jì)算模擬來(lái)指導(dǎo)注液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 分析目的

利用ANSYS Fluent軟件對(duì)電池注液激活系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，在三種不同特性的點(diǎn)火器匹配注液激活系統(tǒng)條件下，模擬計(jì)算出各個(gè)閥門(mén)能否正常開(kāi)啟、開(kāi)啟時(shí)間以及開(kāi)啟的順序。

1.1 注液系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

參考環(huán)境溫度：15~45℃，參考?jí)毫Γ?01325 Pa，電解液材料：30%的KOH溶液。

1.2 注液激活系統(tǒng)幾何模型

注液激活系統(tǒng)為上中下三套閥門(mén)結(jié)構(gòu)，每套閥門(mén)內(nèi)又具有一個(gè)氣閥和兩個(gè)液閥。注液時(shí)，點(diǎn)火器點(diǎn)火產(chǎn)生的氣體充滿管道，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，推動(dòng)閥門(mén)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)閥門(mén)運(yùn)動(dòng)到一定下止閥時(shí)，閥門(mén)完全開(kāi)啟，并停止運(yùn)動(dòng)。閥門(mén)閥芯位移為12 mm。

1.3 注液系統(tǒng)點(diǎn)火器參數(shù)

點(diǎn)火參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 點(diǎn)火器參數(shù)

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

提取流體域，采用ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于需要考慮閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程，會(huì)涉及到動(dòng)網(wǎng)格，為了簡(jiǎn)化計(jì)算以及提高計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，后續(xù)采用層鋪算法進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格的更新。

圖1 注液激活系統(tǒng)網(wǎng)格

采用密度基求解器，材料空氣選用ideal-gas模型來(lái)描述密度的變化；湍流模型選擇Standard K-ε湍流模型，基本形式簡(jiǎn)單，通用性和精度均較高，能夠較好地適應(yīng)工程中大部分復(fù)雜湍流流動(dòng)；動(dòng)網(wǎng)格模型選擇層鋪算法；使用UDF建立進(jìn)口處氣流的壓力變化和溫度變化函數(shù)以及各個(gè)閥門(mén)閥芯在壓力驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)情況。

3 注液激活系統(tǒng)模擬

3.1 點(diǎn)火器1壓力模擬

由圖2閥門(mén)閥芯位移變化曲線可知，所有9個(gè)閥門(mén)在11 ms內(nèi)均能全部開(kāi)啟。閥門(mén)開(kāi)啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側(cè)液閥-上部右側(cè)液閥-中部右側(cè)液閥-中部左側(cè)液閥-下部右側(cè)液閥-下部左側(cè)液閥-中部氣閥-下部氣閥。

閥門(mén)壓力變化情況：1）隨著發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的氣體增多，進(jìn)入激活系統(tǒng)的氣體增多，激活系統(tǒng)內(nèi)的壓力會(huì)逐漸升高。2）當(dāng)閥門(mén)上作用的壓力大于0.35 MPa時(shí)，閥門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟。3）閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，雖然進(jìn)入空間的氣體量一直增加，但閥門(mén)開(kāi)啟的空間也在增加，因此作用在閥門(mén)上的壓力變化不會(huì)很大。4）閥門(mén)完全開(kāi)啟后，隨著氣體量的增加，閥門(mén)上的壓力明顯增加。5）最上面一套閥門(mén)距離發(fā)生器最近，因此產(chǎn)生的氣體最先進(jìn)入這一套閥門(mén)；中間以及下面的兩套閥門(mén)，距離發(fā)生器較遠(yuǎn)，管道阻力會(huì)明顯增加，以此開(kāi)啟時(shí)間會(huì)明顯滯后。6）上部三個(gè)閥門(mén)的峰值壓力可達(dá)1.45 MPa，中部注液閥門(mén)峰值壓力可達(dá)1.2 MPa，下部氣閥峰值壓力可達(dá)0.45 MPa，都能夠達(dá)到開(kāi)啟壓力。

圖2 閥門(mén)開(kāi)啟情況

圖3 閥門(mén)壓力變化過(guò)程

3.2 點(diǎn)火器2工況模擬

由圖4閥門(mén)閥芯位移變化曲線可知，所有9個(gè)閥門(mén)在6.5 ms內(nèi)均能全部開(kāi)啟。閥門(mén)開(kāi)啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側(cè)液閥-上部右側(cè)液閥-中部右側(cè)液閥-中部左側(cè)液閥-中部氣閥-下部右側(cè)液閥-下部左側(cè)液閥-下部氣閥。

各個(gè)閥門(mén)的參數(shù)一致，只是點(diǎn)火器的峰值壓力不同，從閥門(mén)壓力變化圖5可以得出工況2與工況1各個(gè)閥門(mén)的壓力變化大致相同。上部三個(gè)閥門(mén)的峰值壓力可達(dá)2.2 MPa，中部注液閥門(mén)峰值壓力可達(dá)1.4 MPa，下部氣閥峰值壓力可達(dá)0.4 MPa，都能夠達(dá)到開(kāi)啟壓力。

圖4 閥門(mén)開(kāi)啟情況

圖5 閥門(mén)壓力變化過(guò)程

3.3 點(diǎn)火器3壓力模擬

由圖6閥門(mén)閥芯位移變化曲線可知，所有9個(gè)閥門(mén)在6.8 ms內(nèi)均能全部開(kāi)啟。閥門(mén)開(kāi)啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側(cè)液閥-上部右側(cè)液閥-中部右側(cè)液閥-中部左側(cè)液閥-中部氣閥-下部右側(cè)液閥-下部左側(cè)液閥-下部氣閥。

各個(gè)閥門(mén)的參數(shù)一致，工況3點(diǎn)火器的峰值壓力與工況2點(diǎn)火器的峰值壓力接近，從閥門(mén)壓力變化圖7可以得出工況3與工況1和工況2各個(gè)閥門(mén)的壓力變化大致相同。上部三個(gè)閥門(mén)的峰值壓力可達(dá)2.25 MPa，中部注液閥門(mén)峰值壓力可達(dá)1.35 MPa，下部氣閥峰值壓力在九個(gè)閥門(mén)中最低，可達(dá)0.4 MPa，都能夠達(dá)到開(kāi)啟壓力。

圖6 閥門(mén)開(kāi)啟情況

圖7 閥門(mén)壓力變化過(guò)程

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)三個(gè)不同特性的點(diǎn)火器匹配注液激活系統(tǒng)的模擬計(jì)算可以分析得出以下結(jié)論：

1）激活系統(tǒng)中點(diǎn)火器1條件下閥門(mén)開(kāi)啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側(cè)液閥-上部右側(cè)液閥-中部右側(cè)液閥-中部左側(cè)液閥-下部右側(cè)液閥-下部左側(cè)液閥-中部氣閥-下部氣閥。

2）激活系統(tǒng)中點(diǎn)火器2條件下閥門(mén)開(kāi)啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側(cè)液閥-上部右側(cè)液閥-中部右側(cè)液閥-中部左側(cè)液閥-中部氣閥-下部右側(cè)液閥-下部左側(cè)液閥-下部氣閥。

3）激活系統(tǒng)中點(diǎn)火器3條件下閥門(mén)開(kāi)啟的順序與點(diǎn)火器2條件下的順序相同。

4）激活系統(tǒng)中第二工況下，閥門(mén)完全開(kāi)啟所用時(shí)間最短，其次是第三工況，第一工況所用時(shí)間最長(zhǎng)。三種方案開(kāi)啟時(shí)間依次為11 ms、6.5 ms、6.8 ms。

[1] 呂恒俊, 趙徐成. 航空鋅銀蓄電池失效原因及延壽方法[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2015, 18（10）: 13-16.

[2] 朱松然．蓄電池手冊(cè)[M]．天津：天津大學(xué)出版社, 1998: 322-326, 322-326．

[3] 汪繼強(qiáng)等譯．電池手冊(cè)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007．

[4] 陳雷雨, 岳瑞華, 徐中英.飛行器電池激活后待機(jī)安全性與剩余電量研究[J]. 電源技術(shù), 2016, 40（6）: 1223-1224.

[5] 劉彬, 張洗軍, 段志宇. 高功率鋅銀電池設(shè)計(jì)思路的探討[J]. 電池, 2011, 41 (3): 138-140.

Simulation of Zn-AgO Battery Inject Activation System

Peng Zheng, Yu Jiang Hong, Zhao Shu Li

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China)

TP391.42 TM912.3

A

1003-4862（2017）06-0056-03

2017-03-13

彭政（1983-），男，工程師。研究方向：化學(xué)電源。E-mail:13628662272@139.com