燃料电池系统爪式氢气循环泵内部流动特性模拟.pdf
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1、董凯瑞,刘广彬,高志成.燃料电池系统爪式氢气循环泵内部流动特性模拟J.机械科学与技术,2023,42(8):1236-1241燃料电池系统爪式氢气循环泵内部流动特性模拟董凯瑞1,刘广彬1,高志成2(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;2.广东智空动力科技有限公司,广东佛山528000)摘要:爪式氢气循环泵具有输气平稳、适应工况范围广、效率高等优点,是燃料电池系统的关键设备。建立了氢气循环泵数学模型,数值模拟了其内部流动特性,获得了工作腔内流场分布规律。结果表明:转子工作过程存在等容输送过程,形成的两侧工作腔内气体压力、温度均存在差异,泄漏导致容积较小的工作腔内压力较高,两者压力
2、差约为 8.1kPa。两侧工作腔内压力随间隙、吸排气压力的增大而增大,温度随吸气压力的增大而减小。转子最大热变形位于转子爪尖处。模拟结果与实验值基本吻合,验证了模拟方法的准确性。关键词:氢气循环泵;数值模拟;流场;变形中图分类号:TK91;TH4文献标志码:ADOI:10.13433/ki.1003-8728.20220032文章编号:1003-8728(2023)08-1236-06Simulating Internal Flow Characteristics of Claw-type HydrogenCirculation Pump in Fuel Cell SystemDONGKair
3、ui1,LIUGuangbin1,GAOZhicheng2(1.Collegeofelectromechanicalengineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061,Shandong,China;2.GuangdongZhikongPowerTechnologyCo.,Ltd.,Foshan528000,Guangdong,China)Abstract:Theclaw-typehydrogencirculationpumpisthekeyequipmentofafuelcellsystem,whichhasthe
4、advantagesofstablegastransmission,wideoperatingrangeandhighefficiency.Inthispaper,themathematicalmodelofthehydrogencirculationpumpisestablished,itsinternalflowcharacteristicsarenumericallysimulated,andtheflowfielddistributionlawinitsworkingchamberisobtained.Theresultsshowthatthereisanequal-volumecon
5、veyanceprocessintheworkingprocessoftherotorofthecirculationpump.Thegaspressureandtemperatureinthetwoworkingcavitiesaredifferent,andtheleakageleadstohigherpressureintheworkingchamberwithsmallervolume,withthepressuredifferencebeingabout8.1kPa.Thepressureincreaseswiththeincreaseofclearance,suctionanddi
6、schargepressure;thetemperaturedecreaseswiththeincreaseofsuctionpressure.Themaximumthermaldeformationoftherotorislocatedattherotorsclawtip.Thesimulationresultsarebasicallyconsistentwiththeexperimentalvalues,thusverifyingtheaccuracyofthesimulationmethod.Keywords:hydrogencirculationpump;numericalsimula
7、tion;flowfield;deformation目前,使用清洁能源已经成为发展趋势,其中氢燃料电池反应产物只有水,且具有环保、能量密度高、重量轻等优点1。在燃料电池工作过程中,阳极常需通入过量氢气以保证水平衡,需氢气循环回收装置将未反应的氢气重新输送至电堆阳极,以提高氢气利用效率。引射器和氢气循环泵是典型的氢气循环装置。其中引射器在低功率区工作时效果不佳,工况适应性较差,而氢气循环泵具有输气平稳、工况适应性强,变工况效率高等优点,已成功应用于商用燃料电池系统。Wang 等2建立了 80kW 聚合物电解质膜燃料电池氢气循环引射器二维数学模型,模拟了其内部流动特性,指出扩散室角度为 11和 1
8、3时喷射器性能较好。Liu 等3研究了喷射器内部的非对称流动,指出当一次流和二次流相差小于10kPa 时,二次流不能被吸入喷射器。Yin 等4模收稿日期:2021-05-27基金项目:中国科学院产业技术研究院产业化创新团队专项(ZK2018005)作者简介:董凯瑞(1996),硕士研究生,研究方向为燃料电池系统氢气供应设备,通信作者:刘广彬,副教授,硕士生导师,2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.42No.8http:/ 等5模拟了燃料电池用新
9、型罗茨式氢泵的内部流场,结果表明新型罗茨泵具有较好的密封性能,减少了径向间隙泄漏量;Xing 等6模拟了燃料电池用罗茨式氢气循环泵内部流场特性,指出压比对质量流量影响较大,是造成回流的重要原因。Zhang 等7模拟了涡旋式氢气循环泵内部流场特性,指出轴向间隙比径向间隙对容积效率的影响更大。Gu 等8模拟了燃料电池用氢气循环泵内部流动过程,指出等容输送过程中压力升高幅度较大。其中离心式压缩机由于转速较高,对转子系统提出了较高的要求9,罗茨式压缩机无内压缩过程10,涡旋式压缩机加工困难11,这也限制了其在氢气循环系统上的应用。爪式氢气循环泵具有输气平稳,效率高等优点,适合用于燃料电池氢气循环系统。
10、由于氢气循环泵转子间以及转子与泵壳间存在较小啮合间隙,在该处生成高质量网格较为困难。有学者提出用网格生成方法解决啮合间隙处网格出现负体积的问题,在螺杆压缩机上得到了较好的应用12-18,为氢气循环泵的模拟提供借鉴。本研究建立了爪式氢气循环泵的三维数学模型,采用三维动网格技术模拟了其工作过程,分析了吸排气压力、转速、间隙等参数对泵内流场及转子热变形的影响。1 数学模型氢气循环泵的基本结构如图 1 所示。排气口排气管道径向间隙阳转子泵壳进气管道阴转子O1O2RC1RC2图1氢气循环泵原理Fig.1Principleofhydrogencirculatingpump由图 1 可知,随着转子旋转,吸气
11、腔容积不断增大,气体进入吸气腔,由于转子间封闭容积的存在,余隙容积内的高压气体将进入吸气腔,在吸气过程中会出现混合过程,使吸气腔内的压力升高。吸气结束之后工作腔容积保持不变,腔内气体从吸气侧等容移至排气侧,转子旋转只是起到推动气体移动的作用。随着转子继续旋转,工作腔容积逐渐减小,气体不断被压缩,腔内气体压力逐渐升高。当工作腔与排气孔连通时,开始排气过程,排气结束后部分气体将进入封闭余隙容积,完成工作循环。气体在流动过程中的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程及理想气体状态方程13分别为:t+(u)x+(v)y+(w)z=0(1)Ut+(U)U=Fp+2U+U3(U)(2)(T)t+(uT)=
12、CpgrandT+sT(3)pV=mRgT(4)2Cp式中:为密度,kg/m3;t 为时间,s;u、v、w 分别为速度 U 在 x、y、z 方向上的投影,m/s;为拉普拉斯算子;为动力黏度,Pas;为比热容,kJ/(kgK);T 为温度,K。2 网格划分氢气循环泵的流体域比较复杂,主要包括进口流体域、出口流体域、前侧轴向间隙(AC1)、后侧轴向间隙(AC2)、工作腔流体域 5 个部分,如图 2 所示。工作腔流体域轴向间隙流体域出口流体域进口流体域AC2AC1图2氢气循环泵的流体域Fig.2Fluiddomainofhydrogencirculatingpump氢气循环泵的转子形状较为复杂,流体
13、域的形状不规则且间隙尺寸较小,模拟过程中流体域内部分区域网格会发生较大的畸变,容易产生负体积。考虑结构化网格适应范围较窄,本文采用非结构化网格对工作腔流体域进行网格划分,通过扫略方式生成网格,工作腔流体域网格如图 3a)所示,进排气口流体域网格如图 3b)所示。通过各区域网格划分,获得网格总数为 1755361。为了模拟转子旋转过程,采用动网格方式,通过用户自定义函数(UDF)定义转子旋转状态,生成网格并进行模拟。a)b)图3流体域网格示意图Fig.3Fluiddomaingriddiagram第8期董凯瑞,等:燃料电池系统爪式氢气循环泵内部流动特性模拟1237http:/ k-epsilon
14、 湍流模型,进出口边界为其工作过程的吸气压力和排气压力。模拟参数如表 1 所示。表 1 模拟参数Tab.1Simulationparameter参数数值参数数值进口压力/kPa260轴向间隙/mm0.06出口压力/kPa280径向间隙/mm0.06进气温度/75转速/(rmin1)5000 3 模拟结果工作腔中的压力分布如图 4 所示。图 4a)为吸气过程开始时刻,吸气过程中的压力接近吸气压力。图 4b)为混合过程开始时刻,在混合过程中,余隙容积内的高压气体与吸气腔内的低压气体混合,造成吸气腔内的压力升高。图 4c)为定容旋转过程,该过程工作腔容积虽然不发生变化,但由于压缩腔中的高压气体通过间
15、隙泄漏到工作腔,造成定容旋转过程中工作腔内的压力升高,并且左侧工作腔中的压力大于右侧工作腔中的压力。图 4d)为压缩过程,在压缩过程中,工作腔容积不断减小,气体不断被压缩,腔内气体压力升高。最后为排气过程,气体沿排气孔口流出工作腔。压力/Pacontour 11.800E+051.770E+051.741E+051.712E+051.682E+051.653E+051.624E+051.595E+051.565E+051.507E+051.536E+051.477E+051.448E+051.419E+051.389E+051.360E+051.331E+051.302E+051.272E+0
16、5c)=240b)=111压力/Pacontour 11.800E+051.773E+051.746E+051.718E+051.691E+051.663E+051.636E+051.608E+051.581E+051.553E+051.526E+051.499E+051.471E+051.444E+051.416E+051.389E+051.361E+051.307E+051.334E+05压力/Pacontour 11.800E+051.772E+051.744E+051.716E+051.688E+051.661E+051.633E+051.605E+051.577E+051.549E+
17、051.521E+051.493E+051.466E+051.438E+051.410E+051.382E+051.354E+051.299E+051.326E+05d)=270压力/Pacontour 11.810E+051.789E+051.767E+051.746E+051.725E+051.704E+051.683E+051.662E+051.640E+051.619E+051.598E+051.577E+051.556E+051.535E+051.513E+051.492E+051.471E+051.429E+051.450E+05a)=0、360图4不同角度压力分布Fig.4Pre
18、ssuredistributionatdifferentangles图 5 为工作腔截面速度分布。由于泄漏过程的存在,最大气体速度位于径向间隙处,方向由高压腔指向低压腔。在氢气循环泵工作过程中,氢气被压缩会产生热量,转子受热会产生热变形,为了防止产生干涉,在转子与转子以及转子与泵壳之间留有一定的间隙。径向间隙速度如图中径向间隙 1(RC1)和径向间隙 2(RC2)所示。图 5 中Part1与 Part2位置类似,由于转子形状在此处弯曲,在右侧工作腔中,贴近转子壁面的流体速度方向与远离转子壁面处的流体速度方向不一致,两侧工作腔内气体混合过程、沿轴向孔口的排气过程均会造成速度方向改变,使排气腔内形
19、成漩涡,造成能量的消耗。等容旋转过程结束时,转子与泵壳间隙突然变大,来自右侧的气流会与左侧的气流发生碰撞,由于右侧气流速度相对较高,使得来自左侧的气流速度发生转向,造成能量的消耗。两侧气流混合后,从排气口排出工作腔。速度/(ms1)39.577vector 229.68319.7899.8940a)b)c)Part2Part1Part1Part2RC2RC1RC1RC2左 右图5速度场分布Fig.5Velocityfielddistribution为进一步分析工作腔内的压力变化,在工作腔内设置 12 个位置点,位置点的分布如图 6 所示。P1P2P3P4P5P6P7P8P10P9P11P12中
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