2.3　流体动力学分析

既然数值建模和计算结果没有错误,那么进一步通过表象分析找到控制电堆内部空气分配特征的关键控制因素就变得非常有意义。一般而言,电池单元进、出口主管道两侧的压力差(即电池单元内部的静压降)Δpi=-是反映该层电池单元空气分配量的重要指标[26]。为了进一步得到导致图2.1(d)两种不同空气流分配特性的原因,图2.4给出了20层电堆空气流动路径内的静压p分布形貌(其中电堆出口位置为参考0压强位置)。箭头表示空气流道内流体的流动方向。值得注意的是,与出口主管道区域不同,在进口主管道区域空气压强p沿着流动方向逐渐递增。为了进一步分析这一现象背后的原因,我们需要进一步探讨出/入口主管道内部流体的动量平衡关系。

对于稳态流动区域内的一个控制体cs,其指定方向上的净动量流量应等于该方向上的质量力和表面力之和:

∫∫_csundA=+(2.4)

对于出口主管道区域,图2.5(a)中右边虚线方框控制体cs在y方向的动量平衡关系可表示为:

-+=+A_out-A_out　(j>i)(2.5)

式中,和分别表示电堆出口主管道内第i层电池单元位置的y方向空气质量流

图2.4　20层电堆(U形)空气流动路径内的静压分布形貌

图2.5　(a)一个典型的二维U形出/入口主管道形貌用于分析内部的空气流动特征;(b)出/入口主管道内三条不同轴线上的静压波动曲线

量和平均速度。方程(2.5)左侧是控制系统在y方向上的净动量流量。是出口主管道的摩擦阻力以及空气流经T形汇流节的局部损失,其方向与空气流动方向相反。A_out和A_out分别表示控制体底部和顶部受到的y方向的表面压力。A_out是出口主管道的总横截面面积。

因此,沿着流动方向[如图2.5(a)从第j层到第i层位置方向]的静压降为:

-=　(j>i)(2.6)

很明显,在出口主管道内,电池单元内的尾气不断汇入出口主管道,因此当空气从电池单元j位置流动到i位置时,流量递增,>。因此(-)>0。所以,>0和(-)>0的叠加作用,决定了出口主管管道内,静压p应始终沿着空气流动方向(j→i)递减,即->0。

类似地,在入口主管道区域内的控制系统[图2.5(a)左边虚线区域],y方向的动量平衡可表示为:

-=-+A_in-A_in　(j>i)(2.7)

由此可得到沿着进口主管道空气流动方向的静压分布满足如下关系:

-=　(j>i)(2.8)

阻力与流动方向相反,并促使空气沿流动方向静压强p逐渐递减。但是,在空气进口主管道区域内,由于空气被不断地分配给电池单元,因此沿着流动方向(i→j)上,>和>。这导致空气流动方向上(i→j)动量流量不断下降,-<0,这将导致静压p沿着空气流动方向不断递增。

由于>0和(-)<0对电堆入口主管道内静压的变化起着相反的作用,两者之间量级的大小将最终决定流体静压p在流体流动方向上是呈现递增还是递减趋势。由此判断图2.1(d)的计算结果从理论上是完全合理的。

为了进一步说明T形分流/汇流节的影响,图2.5(b)中显示通过数值计算得到的出/入口主管道内三条不同轴线上的静压强p分布:①靠近管壁的轴线;②中轴线;③靠近T形节一侧轴线。图中结果进一步支持了之前的分析结论:当流体以较大流速和密度流经T形分流/汇流节时,将导致空气动量流量较大的波动,并进一步影响主管道内静压p的分布特性。