孫 凱 邢樹兵 張 嫻 唐桂林

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

近年來(lái)，隨著魚雷動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步，Al/AgO電池憑借高比功率、高比能量、安全性高、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)，使得以Al/AgO電池為動(dòng)力的新型電動(dòng)魚雷得到各國(guó)海軍的高度重視，被絕大多數(shù)國(guó)家的海軍視為魚雷發(fā)展的方向。Al/AgO電池系統(tǒng)激活后，海水從進(jìn)水閥進(jìn)入，注滿電液艙的同時(shí)，艙內(nèi)固體電解質(zhì)在水流擾動(dòng)下溶解形成電解液。電解液被循環(huán)泵增壓，經(jīng)過(guò)溫控閥進(jìn)入電池，然后經(jīng)氣體分離器將氣體分離后回至循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)。為提高魚雷動(dòng)力電池的比能量和比功率，應(yīng)使魚雷電池能夠在最有利的條件下工作，保持良好的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮其優(yōu)良性能。為達(dá)到這一目的，需要設(shè)置輔助系統(tǒng)以盡可能滿足電池對(duì)溫度、電解質(zhì)濃度及電極表面狀態(tài)等方面的要求[1～2]。

電解液的組成及各組分的濃度控制對(duì)提高鋁陽(yáng)極的電化學(xué)性能至關(guān)重要[3～4]。ALCAN公司的Hunter等研究了電池堆的電解液循環(huán)系統(tǒng)并設(shè)計(jì)出適合大功率輸出的Al/AgO電池堆系統(tǒng)[5～6]。蔡年生指出為保證反應(yīng)正常進(jìn)行，NaOH濃度保持在2.5mol·L-1以上[7]。Al/AgO電池系統(tǒng)激活初期以固態(tài)NaOH溶于水形成電解液，NaOH的溶解速率決定了電解液的濃度及溫度，電解液的狀態(tài)決定了Al/AgO電池的帶載能力。本文通過(guò)對(duì)水體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了水體雷諾數(shù)對(duì)塊狀NaOH溶解速率的影響。從而為電池設(shè)計(jì)中電解液的控制提供依據(jù)，保證放電時(shí)電解液維持最佳的NaOH濃度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 塊狀NaOH制備

在干燥環(huán)境(空氣濕度≤8%)中，采用顆粒狀NaOH(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，純度≥96%)，利用模具將NaOH在一定壓力下制得橫截面積為s的塊狀NaOH，密度為1.36×106kg/m3，密度計(jì)算公式如下：

m為塊狀NaOH質(zhì)量，kg；

s為塊狀NaOH橫截面積，m2；

h為塊狀NaOH厚度，m。

1.2 塊狀NaOH溶解速率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)條件：在1000mL的燒杯中放入500mL自來(lái)水，開啟攪拌器(天津市華興科學(xué)儀器廠，DGL-8401型電動(dòng)攪拌器)進(jìn)行攪拌，設(shè)定轉(zhuǎn)速為0r/min～650r/min。待水溫穩(wěn)定在10℃～15℃時(shí)，稱取0.04kg塊狀NaOH放入燒杯內(nèi)，開始計(jì)時(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

測(cè)定方法：利用NaOH在水中溶解放熱的原理，測(cè)試NaOH溶解過(guò)程中燒杯內(nèi)水溫的變化，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。待水溫升至最高點(diǎn)時(shí)，記錄此時(shí)的溫度T及時(shí)間t，根據(jù)初始水溫、最高溫度和最高溫度時(shí)間計(jì)算塊狀NaOH的溶解速率，如下式：

T為最高水溫，℃；

T0為實(shí)驗(yàn)初始水溫，℃；

t為最高水溫出現(xiàn)時(shí)間，s；

A為常數(shù)，2.28×10-3kg/℃。

表1 不同雷諾數(shù)下塊狀NaOH溶解速率對(duì)比

1.3 流體流動(dòng)狀態(tài)分析

利用CFX軟件對(duì)燒杯內(nèi)水體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析，其中葉片部分為固體域，水體部分為流體域，將葉片與水體接觸壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。在前處理中，將水體部分設(shè)置為Fluid Domain，介質(zhì)為water，湍流模型為k-Epsilon，固壁面采用對(duì)水作用無(wú)滑移，越靠近壁面表面部分，其速度越小，近壁區(qū)的壁面函數(shù)為Scalable；葉片為Solid Domain，類型設(shè)置為Immersed Solid，殘差收斂精度為10-5，葉片固體域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。在系統(tǒng)內(nèi)定義垂直于燒杯軸線的平面為水平截面，通過(guò)燒杯軸線的平面為豎直截面。

圖1 溶解實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 不同雷諾數(shù)下塊狀NaOH溶解速率對(duì)比

圖3 流場(chǎng)內(nèi)Re=8.19×104時(shí)不同截面速度矢量圖

圖4 不同雷諾數(shù)下豎直截面渦量云圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流體不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)塊狀NaOH溶解速率的影響

由表1和圖2可知，在10℃～15℃的水中，塊狀NaOH的溶解速率隨雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但隨著雷諾數(shù)增大到一定程度后，溶解速率趨于平緩。由圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)裝置中水體的流動(dòng)狀態(tài)可以分解為水平和豎直兩個(gè)方向：在水平面上呈現(xiàn)圍繞攪拌槳的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在豎直面上呈現(xiàn)以垂直于攪拌槳為軸、從攪拌槳向燒杯壁面的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，形成對(duì)稱的兩個(gè)渦流。而這種在豎直面上的渦流對(duì)沉在燒杯底部的塊狀NaOH的濃度擴(kuò)散起到關(guān)鍵作用，有利于系統(tǒng)內(nèi)NaOH濃度的均勻化，有效避免了NaOH局部濃度過(guò)高而與水形成難溶的NaOH·H2O。由圖4可以看出，在不同雷諾數(shù)下水體內(nèi)的渦量分布存在明顯區(qū)別。在較低擾動(dòng)下，Re=1.64×104，水體渦量很小，只在攪拌槳附近存在渦流。而在較高擾動(dòng)下，Re=4.09×104、8.19×104，水體渦量不斷增大，渦流充滿全部水體。渦量的大小影響NaOH在水中的傳質(zhì)過(guò)程即溶解速率，在渦流擴(kuò)散系統(tǒng)內(nèi)，NaOH的分子擴(kuò)散通量要遠(yuǎn)小于渦流擴(kuò)散通量，渦流擴(kuò)散對(duì)NaOH溶解起主導(dǎo)作用。隨著水體雷諾數(shù)的增大，水體內(nèi)渦量從只存在于攪拌槳附近逐步增大至充滿整個(gè)水體。由于水體內(nèi)渦量的分布受容器特征尺寸及水量的影響，所以在本系統(tǒng)內(nèi)，Re=4.09×104時(shí)，渦量分布已接近實(shí)驗(yàn)裝置壁面，在Re>4.09×104后，水體內(nèi)渦量的增加逐漸放緩，導(dǎo)致了塊狀NaOH溶解速率增大趨于平緩。

2.2 塊狀NaOH溶解速率與雷諾數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)塊狀NaOH的溶解速率與雷諾數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見圖2。

擬合公式如下：

y=y0-Ae-Re/B

式中：y為塊狀NaOH溶解速率，kg/s；

Re為雷諾數(shù)；

y0為常數(shù)，1.19×10-3kg/s；

A為常數(shù)，1.20×10-3kg/s；

B為常數(shù)，2.47×104。

由公式(3)可以看出，塊狀NaOH在水中的溶解速率與系統(tǒng)內(nèi)雷諾數(shù)成e指數(shù)負(fù)相關(guān)性。

3 結(jié)論

在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)對(duì)水流不同流動(dòng)狀態(tài)下塊狀NaOH溶解速率的對(duì)比分析，可以得出：

(1)塊狀NaOH在水中的溶解速率會(huì)隨著雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但雷諾數(shù)達(dá)到一定程度后，塊狀NaOH溶解速率趨于平緩。溶解速率與雷諾數(shù)成e指數(shù)相關(guān)性。

(2)本系統(tǒng)水體的流動(dòng)狀態(tài)可以分解為水平和豎直兩個(gè)方向，在豎直面上形成的渦流對(duì)NaOH的溶解起到主導(dǎo)作用，有效避免了NaOH與水形成難溶的NaOH·H2O，可通過(guò)增大系統(tǒng)內(nèi)豎直面的渦流來(lái)提高NaOH的溶解速率。

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