简论燃料电池燃料电池和垃圾填埋场数值模拟

摘要：格子Boltzmann策略又被称作介观模拟策略,在微观上是连续策略,宏观上是离散策略,是一个十分活跃的数值模拟工具和科学探讨手段,可以运用到多孔介质流、化学反应流、磁流体、非牛顿流体、多相多质流等许多领域。格子Boltzmann策略与其他传统数值策略相比,具有并行性能好,物理图像清晰,程序易于实施和边界处理简单等优点,尤其在解决复杂几何结构的不足时有很大优势。微生物燃料电池(简称MFC)是一种能够把微生物作为催化剂分解有机物质以而产生电能的新型环境友好型能源装置。到目前为止,对于微生物燃料电池内在连续流的条件体穿过多孔阳极的对流现象,人们已经做了大量探讨。然而,流体穿过多孔阳极的力学机理和多孔介质与MFC的定量联系还不是很清晰。实验发现当MFC装置的距离在某个特定范围时输出功率显著增大。基于这些实验得到的数据,我们利用格子Boltzmann策略探讨了阳极与阴极之间的距离和多孔阳极达西数对MFC输出功率的影响。结果表明阳极与阴极之间的距离影响MFC中流体的速度和流体在多孔阳极中的滞留时间。此外,还发现多孔阳极的达西数能够影响MFC的输出功率。我们的模拟结果对MFC的优化设计是有一定帮助的。垃圾填埋法是处理生活垃圾的主要策略。但该种策略会造成一定的环境不足,垃圾分解历程中会产生大量高浓度污染物的渗滤液,这些渗滤液如果不加处理会严重污染周围环境。根据渗流力学结合热力学论述,浅析了垃圾填埋场内的热效应和渗流机理,在垃圾填埋场中建立了温度场与渗流场耦合的三维数学模型,并给出了与该数学模型相对应的有限元策略,并对其进行了数值模拟。重点探讨了温度变化和渗透率的转变对垃圾填埋场内渗滤液的渗流机理的影响,结果显示两者相互作用最终会形成稳定的渗流场和温度场。文章还综述了用格子Boltzmann策略模拟直接甲醇质子交换膜燃料电池的探讨进展,具体介绍了利用格子Boltzmann策略模拟燃料电池中的多相流,传热传质和电化学反应历程等的最新进展,认识到格子Boltzmann策略作为一种计算流体力学的介观模拟策略,是一种有效的浅析燃料电池性能的数值策略,通过数值模拟可以更好地了解电池的复杂物理化学历程,为优化电池性能提供更充分的论述依据。文章还对探讨最新进展予以简单评述,同时指出了目前探讨历程中所建模型有着的不足。关键词：格子Boltzmann策略论文微生物燃料电池论文多孔介质论文达西数论文温度场论文渗流场论文双场耦合论文有限元策略论文热效应论文直接甲醇燃料电池论文质子交换膜燃料电池论文

摘要4-6

ABSTRACT6-10

第1章 绪论10-15

1.1 渗流力学的探讨内容及其作用10-11

1.2 格子BOLTZMANN策略及其进展史11-13

1.3 格子BOLTZMANN策略的运用13

1.4 本论文的主要内容13-15

第2章 流体力学基本论述15-21

2.1 流体力学及其运用15

2.2 流体的连续介质检测设15-16

2.3 连续方程16-17

2.4 动量方程17-18

2.5 NIER-STOKES方程18-19

2.6 内能方程19-21

第3章 格子BOLTZMANN策略的基本论述和模型21-29

3.1 以连续BOLTZMANN方程到格子BOLTZMANN方程21-23

3.2 单松弛模型23-25

3.3 格子BOLTZMANN策略的简单边界处理25-29

3.3.1 周期性边界处理格式25-26

3.3.2 非平衡态外推格式26-29

第4章 在高功率密度下微生物燃料电池中流体穿过多孔阳极的数值模拟29-36

4.1 引言29

4.2 数值策略29-32

4.2.1 建立模型29-30

4.2.2 制约方程30

4.2.3 格子Bo丨tzmann策略30-32

4.3 结果和讨论32-34

4.3.1 多孔阳极和阴极间距离对MFC性能的影响32-33

4.3.2 达西数对MFC性能的影响33-34

4.4 结论34-36

第5章 垃圾填埋场中热效应和渗流机理的数值模拟36-42

5.1 引言36

5.2 垃圾渗滤液运移的温度场与渗流场耦合的连续介质数学模型36-38

5.2.1 温度场影响下的渗流场数学模型36-37

5.2.2 渗流场影响下的温度场数学模型37-38

5.3 数值模拟38-41

5.4 结论41-42

第6章 直接甲醇质子交换膜燃料电池的格子BOLTZMANN策略数值模拟的探讨进展42-52

6.1 引言42-43

6.2 直接甲醇燃料电池的结构和工作原理43-44

6.3 利用格子BOLTZMANN策略对直接甲醇质子交换膜燃料电池进行模拟44-51

6.3.1 格子Boltzmann策略方程系统44-46

6.3.2 周期性和非平衡外推格式边界处理46-47

6.3.3 直接甲醇质子交换膜燃料电池的格子Boltzmann策略数值模拟探讨近况47-51

6.4 用格子BOLTZMANN策略模拟直接甲醇质子交换膜燃料电池有着的不足51

6.5 结束语51-52

第7章 总结和展望52-54

7.1 本论文的主要工作和革新52-53

7.2 进一步的设想53-54