基于現(xiàn)象的建模方法研究及其應用.pdf

1、先進能源系統(tǒng)是一種涉及多種物理化學過程的復雜系統(tǒng),時空多尺度特征和行為是其中所有復雜現(xiàn)象的共同本質和量化的難點。目前在對宏觀現(xiàn)象的仿真中普遍采用的平均方法無法表達過程的內在機理,因而難以具備準確預測功能,這是工藝設備放大難以成功的原因。解決這一問題的根本出路在于實現(xiàn)基于微觀機理的模擬。最近幾年得到關注的多尺度模擬方法抓住了多尺度效應這一重要特征進行簡化分析,盡管還未深入到過程的所有內在機制,但卻是一種非常有效的途徑。多尺度模擬以復雜系統(tǒng)

2、在時間和空間上的多尺度特征為基礎,同時考慮多個尺度效應進行模擬,每個尺度的模擬涉及不同的仿真方法和手段。對復雜系統(tǒng)采用多尺度模擬不但可以揭示復雜現(xiàn)象的本質,而且使復雜系統(tǒng)的量化設計和放大成為可能。因此對先進能源系統(tǒng)開展基于多尺度模擬的建模方法研究具有重要的理論意義和實用價值。本文研究工作主要分二個部分:第一部分研究基于現(xiàn)象的建模方法以實現(xiàn)能源系統(tǒng)的多尺度模擬,同時研究不同現(xiàn)象模型的耦合機制。第二部分以固體氧化物燃料電池(SOFC)為例進

3、行多尺度模擬并驗證基于現(xiàn)象的建模方法,這部分工作包含以下兩方面的內容:1采用Lattice Boltzmann方法模擬電化學反應擴散,研究了電化學反應過程中氣體濃度和電流密度的分布情況;2對固體氧化物燃料電池進行多尺度穩(wěn)態(tài)數值模擬,基于質量、動量和能量平衡并耦合流體流動、熱量產生和傳遞以及電化學知識建立了管型SOFC的CFD模型并耦合介觀尺度上的反應擴散模擬。模型中采用質量、動量、能量守恒方程描述電池內的流動、傳熱傳質等物理過程,并研究