趙海賀， 陳澤宇， 覃承富， 郭曉冰

(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

0 引言

隨著環(huán)境與能源問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展替代能源汽車已成為世界各大汽車廠商及科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)[1—4]。燃料電池電動(dòng)汽車憑借能量轉(zhuǎn)換效率高、零污染且能源來(lái)源廣泛的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被普遍認(rèn)為是未來(lái)汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)之一[5—9]。當(dāng)下普遍采用的質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有啟動(dòng)快、功率密度高、易密封的特點(diǎn)，可通過(guò)供應(yīng)過(guò)量氫氣的方法來(lái)保證輸出功率的穩(wěn)定。電堆陽(yáng)極產(chǎn)生的廢氣中包含水和一定量未反應(yīng)的氫氣，因此，PEMFC非常依賴氫氣循環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極殘余廢氣的循環(huán)利用，從而提高電池的燃料利用率和電池效率。引射器是氫氣循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)回氫系統(tǒng)的引射、混合、壓縮等多種功能[10—13]，然而引射器的工作性能受流體壓力、尺寸結(jié)構(gòu)等多種因素影響，且存在強(qiáng)烈的非線性、流固耦合問題，因此，如何實(shí)現(xiàn)引射器的高效運(yùn)作和優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前亟需解決的重要技術(shù)問題。

目前研究人員對(duì)引射器實(shí)驗(yàn)與仿真方法進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[14]采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模型結(jié)合的方式研究了噴嘴面積與流體壓力對(duì)引射器性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變噴嘴面積和流體壓力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)引射性能的控制。文獻(xiàn)[15]采用3種湍流模型對(duì)引射器進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力運(yùn)輸(shear stress transport,SST)k-ε湍流模型更適用于預(yù)測(cè)引射器性能，而Re-Normalization Group (RNG)k-ε和Realizablek-ε湍流模型則適用于優(yōu)化引射器設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[16]對(duì)引射器引射效率和摩爾回流率進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了收斂型噴嘴引射器具有較好的工作性能。在引射器實(shí)驗(yàn)與仿真方法日益完善的基礎(chǔ)上，如何提高引射效率作為引射器研究的核心問題受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[17]模擬引射器的全工況，發(fā)現(xiàn)流體質(zhì)量流量會(huì)對(duì)引射性能產(chǎn)生較大影響，并給出工作流體質(zhì)量流量的取值范圍。文獻(xiàn)[18]提出有關(guān)PEMFC氫氣循環(huán)系統(tǒng)中收斂式噴嘴引射器幾何參數(shù)的優(yōu)化方法，并基于混合人工魚群算法對(duì)引射器的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[19—20]研究了混合室收斂角對(duì)流量特性的影響，并給出混合室收斂角取值范圍。

目前，燃料電池引射器的相關(guān)研究缺乏足夠?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)支撐，并且性能優(yōu)化與特性研究方面仍不夠完善。文中以車用PEMFC為研究對(duì)象，對(duì)引射器特性進(jìn)行仿真與分析，在不同壓力工況下采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法對(duì)引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究，基于仿真數(shù)據(jù)分析了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與引射性能之間的關(guān)系，為引射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)和方法。

1 氫氣供給系統(tǒng)

1.1 PEMFC基本原理

PEMFC主要由膜電極組件和雙極板兩部分組成，此外還包括密封件、集流板等[21]。雙極板與膜電極構(gòu)成了單體電池，應(yīng)用中將單體電池固定于特定的密封裝置中，利用端板壓緊，使用螺桿等進(jìn)一步固定，單體電池堆集組成燃料電池電堆。整體來(lái)看，燃料電池結(jié)構(gòu)與三明治相似，中間為質(zhì)子交換膜，兩側(cè)為催化劑層，氫燃料電池的催化劑層一般為鉑基，向外與其相鄰的是擴(kuò)散層和雙極板。PEMFC的工作原理如圖1所示，膜層將其劃分為陰極、陽(yáng)極兩部分，外回路導(dǎo)通，電池工作時(shí)擴(kuò)散層內(nèi)的反應(yīng)氣體擴(kuò)散到催化層，氣體燃料在催化作用下發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)。

圖1 PEMFC的工作原理Fig.1 Working principle of PEMFC

進(jìn)入電池陽(yáng)極的氫失去電子，反應(yīng)后產(chǎn)生的氫離子進(jìn)入電解質(zhì)，與進(jìn)入陰極的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電子則是經(jīng)過(guò)外部回路到達(dá)燃料電池的陰極參與反應(yīng)，最終生成水。整個(gè)反應(yīng)伴隨著熱的產(chǎn)生。上述反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，電子不斷地通過(guò)外部回路，完成發(fā)電。

1.2 氫氣循環(huán)系統(tǒng)

PEMFC氫氣循環(huán)系統(tǒng)見圖2，在工作過(guò)程中，通過(guò)供應(yīng)過(guò)量氫氣的方法來(lái)保證輸出功率穩(wěn)定[22]。隨著燃料電池內(nèi)部反應(yīng)的進(jìn)行，電堆陽(yáng)極廢氣中包含水和一定量未反應(yīng)的氫氣，利用水氣分離裝置將殘余氫氣分離出來(lái)并傳輸至引射器。引射器可利用高壓氫氣產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)而回收未反應(yīng)的殘余氫氣，且不產(chǎn)生額外的寄生功率。供應(yīng)的高壓氫氣從引射器噴嘴噴出后進(jìn)入混合室，高速氣流卷吸流動(dòng)形成低壓區(qū)，在壓差的作用下，引射殘余氫氣與之進(jìn)入混合室，均勻混合后從出口排出[17]，參與電堆陽(yáng)極反應(yīng)。

圖2 氫氣循環(huán)系統(tǒng)的組成及相關(guān)器件Fig.2 Composition and related devices of hydrogen circulation system

1.3 引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中采用索科洛夫引射器設(shè)計(jì)法，基于80 kW工況對(duì)PEMFC電堆進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[19,23]。工況參數(shù)如表1所示。根據(jù)電推參數(shù)求出引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的工作流體質(zhì)量流量GP后，即可結(jié)合工況參數(shù)，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出引射器的結(jié)構(gòu)尺寸[24]。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括工作流體噴嘴截面尺寸、等容混合室截面尺寸、引射器軸向尺寸等。

表1 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)Table 1 Design operating point parameters

燃料電池正常工作時(shí)所需氫氣量mH2可由式(1)求得。

(1)

式中：I為電池的工作電流；F為法拉第常數(shù)；Ncell為電池?cái)?shù)目；i為電流密度；A為活化面積。

陽(yáng)極入口水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωH2O可由式(2)求得。

(2)

式中：XH2O為入口水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)；H為氫氣濕度。水蒸氣在353 K溫度下的飽和蒸汽壓為47 414.7 Pa。

陽(yáng)極入口氣體質(zhì)量流量min可由式(3)求得。

(3)

式中：mH2,in為陽(yáng)極入口氫氣質(zhì)量流量；mH2為純氫的質(zhì)量流量；λ為氫氣過(guò)量系數(shù)。

電堆的工作參數(shù)如表2所示，陽(yáng)極入口氫氣質(zhì)量流量mH2,in即為用于引射器結(jié)構(gòu)計(jì)算的工作流體質(zhì)量流量GP。引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 PEMFC電堆參數(shù)Table 2 Stack parameters for PEMFC

表3 引射器結(jié)構(gòu)尺寸Table 3 Ejector structure parameters

2 引射特性建模及仿真

圖3為引射器結(jié)構(gòu)示意，文中采用ANSYS/CFX軟件進(jìn)行引射器的建模與仿真。選擇引射系數(shù)μ作為引射性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義為引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比[21]，如式(4)所示。

圖3 燃料電池引射器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of fuel cell ejector

(4)

式中：GH為引射流體的質(zhì)量流量。

2.1 控制方程

引射器的數(shù)值計(jì)算采用k-ε模型的修正方程，即RNGk-ε模型，基于N-S方程組的再歸一化，能更好地預(yù)測(cè)引射器內(nèi)部流動(dòng)情況以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。假設(shè)流體為穩(wěn)態(tài)可壓縮湍流，引射器管壁為絕熱壁面，工作流體與引射流體均為理想氣體，忽略重力影響且無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，則引射氣體控制方程為：

(5)

(6)

(7)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；U為速度矢量；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散；μeff為有效黏度；p′為修正壓力；B為體積力總和；T為熱力學(xué)溫度；μt為湍流黏度；σεRNG，Cε1RNG，Cε2RNG為系統(tǒng)常數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)于有限元分析來(lái)說(shuō)，仿真精度和計(jì)算速度取決于模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量的高低。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，初步劃分后對(duì)模型邊界區(qū)域、工作流體與引射流體接觸混合區(qū)等處的網(wǎng)格適當(dāng)優(yōu)化加密，以保證模型網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。最終通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后的網(wǎng)格數(shù)量為1 100 764個(gè)。

2.3 邊界及初始條件

引射器工作流體為理想氫氣，進(jìn)口邊界條件按總壓力進(jìn)行設(shè)定；引射流體入口與混合流體出口的邊界條件設(shè)定為恒定壓力邊界，具體設(shè)定值參照表1。流體的流態(tài)為穩(wěn)態(tài)湍流，且為可壓縮的理想狀態(tài)。初始情況下，湍流強(qiáng)度為5%，溫度為298 K，設(shè)定參數(shù)殘差小于10-5時(shí)收斂[17,21]。

2.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性，在工作流體入口壓力4×105～6×105Pa范圍內(nèi)選擇5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到引射器工作流體質(zhì)量流量GP與工作流體壓力pp的變化曲線，如圖4所示。GP與pp在該范圍內(nèi)呈線性正相關(guān)，符合理論推導(dǎo)結(jié)果[23]。二者關(guān)系式可表示為如下形式：

Gp=kpp+b

(8)

式中：k，b為兩定值。

圖4 工作流體質(zhì)量流量與入口壓力的變化曲線Fig.4 Variation curve of working fluidmass flow and inlet pressure

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)部流場(chǎng)分析

通過(guò)流體力學(xué)仿真得到引射器中間對(duì)稱截面的壓力、速度云圖分別如圖5、圖6所示。工作流體噴嘴處壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為流體動(dòng)能，工作流體速度在收斂噴嘴處迅速增大，變?yōu)槌羲?，壓力值降至最低時(shí)噴嘴出口流體速度達(dá)到峰值。在高速射流的卷吸作用下，引射流體與之混合并發(fā)生動(dòng)量交換，高速射流速度降低，引射流體速度增加。形成的混合流體經(jīng)混合室后速度逐漸降低。通過(guò)圖6可以看出，引射器中間對(duì)稱截面的速度分布是非對(duì)稱的，相應(yīng)地計(jì)算出引射器軸線上的壓力、速度變化。

圖5 引射器中間對(duì)稱截面壓力云圖Fig.5 Pressure cloud diagram of symmetrical section of ejector

圖6 引射器中間對(duì)稱截面速度云圖Fig.6 Velocity cloud diagram of symmetrical section of ejector

圖7為軸線上壓力、速度分布曲線，引射器中氣體流速在噴嘴處迅速達(dá)到峰值，之后隨著距離的增加逐步下降，且在開口尺寸變化處存在一個(gè)拐點(diǎn)。相應(yīng)地，工作流體壓力在通過(guò)內(nèi)部收斂噴嘴時(shí)壓力驟降，出口附近壓力值降至最低，在低壓高速工作流體卷吸流動(dòng)的作用下引射流體進(jìn)入混合管，混合過(guò)程中壓力緩慢上升，在擴(kuò)散管減速增壓的作用下，壓力值最終恢復(fù)。

圖7 引射器軸線壓力和速度分布曲線Fig.7 Pressure and velocity distribution curves at the ejector axis

3.2 影響因素分析

引射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于流體特性有顯著影響，進(jìn)而產(chǎn)生不同的引射效果。以引射系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于CFD模型進(jìn)一步研究不同壓力工況下引射特性的影響規(guī)律。

3.2.1 引射流體入口直徑

引射流體入口壓力ph分別取2.57×105Pa，2.77×105Pa，2.97×105Pa 3種工況進(jìn)行分析，入口直徑dh等間隔選取6個(gè)參考點(diǎn)，基于3種壓力優(yōu)化仿真以保證不同工況下結(jié)果的普遍性，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 引射系數(shù)隨引射流體入口直徑變化曲線Fig.8 Variation curve of ejection coefficient with ejection fluid inlet diameter

可以看出，不同工況下曲線具有相同的變化趨勢(shì)，引射系數(shù)μ隨引射流體入口直徑dh的增加單調(diào)增加，但變化率逐漸降低，最終趨于平穩(wěn)。隨著dh的增加，引射流體的吸入阻力變小，一定質(zhì)量流量的工作流體可以吸入更多引射流體，并且入口尺寸的增加為引射過(guò)程提供足夠的流體供應(yīng)，引射系數(shù)相應(yīng)增加。由于結(jié)構(gòu)與流量的限制，dh增加到一定程度后不再引起引射性能的變化。此外，對(duì)比3條曲線可以看出，引射流體入口壓力ph對(duì)引射性能有很大影響，μ隨著ph增加而提高。由于壓力的增加，入口與收斂噴嘴出口之間壓差變大，工作流體通過(guò)剪切作用實(shí)現(xiàn)對(duì)更多量引射流體的卷吸，引射流體質(zhì)量流量GH增加，引射系數(shù)提高。

3.2.2 工作流體入口直徑

工作流體入口直徑dp的變化會(huì)引起工作流體質(zhì)量流量Gp的變化，進(jìn)而影響引射性能。探究入口直徑與引射系數(shù)的關(guān)系時(shí)，引射流體入口壓力和混合流體出口壓力保持設(shè)計(jì)工況不變，工作流體入口直徑作單一變量，在6～14 mm范圍取5個(gè)參考點(diǎn)仿真，3種工況下的分析結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，不同壓力工況下的響應(yīng)曲線都呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，工作流體入口直徑存在一個(gè)臨界值。

圖9 引射系數(shù)隨工作流體入口直徑變化曲線Fig.9 Variation curve of ejection coefficient with working fluid inlet diameter

3.2.3 混合流體出口直徑

最后對(duì)混合流體出口直徑dc進(jìn)行仿真研究。工作流體入口壓力pp和引射流體入口壓力ph保持工況值，分別在混合流體出口壓力pc為2.8×105Pa，3.0×105Pa，3.2×105Pa 的3種工況下進(jìn)行仿真對(duì)比?；旌狭黧w出口直徑dc為單一變量，在8～18 mm范圍內(nèi)取6個(gè)采樣點(diǎn)，仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯煌隹趬毫r下，引射系數(shù)均隨dc的增加先單調(diào)增加，達(dá)到某一臨界值后開始減小，在3.0×105Pa和3.2×105Pa時(shí)，dc達(dá)到臨界后引射性能下降速率迅速增加。隨著混合流體出口壓力的增加，引射器背壓增加，阻礙了流體流出，引射系數(shù)減小，但引射系數(shù)對(duì)出口直徑變化的敏感度降低，引射器工作性能的穩(wěn)定性得到提高。

圖10 引射系數(shù)隨混合流體出口直徑變化曲線Fig.10 Variation curve of ejection coefficient with the diameter of the mixed fluid outlet

3.3 引射效果分析

由上述分析結(jié)果可知，引射流體入口直徑的增加可以提升引射性能，但存在一個(gè)拐點(diǎn)，在該拐點(diǎn)之后，提升效果不再明顯；而工作流體入口直徑與混合流體出口直徑的影響則均存在一個(gè)峰值點(diǎn)，隨著尺寸的持續(xù)增加，引射系數(shù)在到達(dá)峰值點(diǎn)之后開始迅速降低。根據(jù)上述分析結(jié)果對(duì)引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在各部分結(jié)構(gòu)不發(fā)生干涉的前提下依次調(diào)整引射流體入口直徑、工作流體入口直徑和混合流體出口直徑，使引射性能達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射效果的計(jì)算如表4所示，可以看出，優(yōu)化后引射流量提升了15.25%，引射系數(shù)提高了13.55%，改善了相同條件下未反應(yīng)氫氣的循環(huán)利用率。

表4 優(yōu)化前后引射效果對(duì)比Table 4 Comparison of injection effect before and after optimization

4 結(jié)論

文中針對(duì)電動(dòng)汽車PEMFC氫氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了引射器工作特性研究與建模，基于計(jì)算流體力學(xué)仿真探究了引射器內(nèi)部流場(chǎng)特性，揭示了不同壓力工況下引射流體入口直徑、工作流體入口直徑及混合流體出口直徑對(duì)引射系數(shù)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1) 引射系數(shù)與引射流體入口直徑呈正相關(guān)，但隨著入口直徑的增加，引射系數(shù)的提升量逐漸降低且在入口直徑14 mm附近存在拐點(diǎn)；

(2) 工作流體入口與混合流體出口參數(shù)對(duì)引射系數(shù)的影響存在一個(gè)峰值點(diǎn)，在峰值前后均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)；

(3) 通過(guò)優(yōu)化，引射流量提升了15.25%，引射系數(shù)提高了13.55%?？梢?，在相同條件下未反應(yīng)氫氣的循環(huán)利用率得到了顯著改善。