基于Fluent的氢燃料电池空压机性能分析

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摘 要文章针对某款氢燃料电池空压机建立二维模型，然后导入ICEM CFD软件进行网格划分，再利用Fluent18.0软件，基于标准k-ε模型，采用SIMPLEC算法对其内部流场进行数值模拟，并分析了空压机内部流动现象和规律，*后与参考文献结果进行比较，验证了空压机仿真的准确性。

引 言

氢燃料电池空压机是汽车用燃料电池气体供应系统的重要组成部件，它可以使进入燃料电池电堆的空气压力增大，从而提高燃料电池的做功能力，缩小燃料电池系统的体积。氢燃料电池空压机具有稳定性好、使用寿命长、排气无油、噪音低、轻量化、小型化等优点，目前在汽车领域得到了广泛的应用。数值模拟有很多优势，比如运算速度快、效率高、成本低廉等，由于计算机运算能力的迅猛提升和商业化CFD软件的日益完善，数值模拟方法在空压机的研究和开发中得到了广泛的运用。张岳等利用Fluent软件对离心压缩机整体和内部结构进行了数值模拟和流场分析，验证了压缩机数值计算的精度；赵斌等利用Fluent软件对离心式空压机叶轮内部的流场进行数值模拟，揭示出了叶轮内部流场的**速度分布、静压力分布以及雷诺数分布等情况；魏国红等运用Fluent软件对某一离心式压缩机的**级叶轮的内部流场进行了数值仿真，分析出叶轮内部流场的速度变化、压力变化等情况。本文通过Fluent软件对氢燃料电池空压机内部流场进行了模拟仿真。**建立空压机的二维模型，然后进行网格划分，定义求解控制参数，得出模型内部流场的压力、速度云图等数据并进行分析，*后与参考文献结果进行比较分析并得出结论。

1、建立模型

在ICEM CFD软件中建立空压机的二维模型，然后将模型划分为多个区域，其中区域一为随叶轮一起转动的流体区域，区域二为蜗壳内不转动的流体区域，区域三为固定轴区域，如图1所示。其中，出口压力与进口压力之比是1.422，进口的流量是3.896 m³/min，电机的转速是4 200 rad/s，流体介质是空气。进口的宽度和出口的宽度分别是30 mm和15 mm，进口的直径和出口的直径分别是100 mm和300 mm，叶片的数量是8个。

图1 空压机二维模型

2、划分网格

利用ICEM CFD软件对建立的空压机二维模型进行网格划分，如图2所示。

全局网格设定中，比例因子设定为1，*大网格尺寸为0.005。网格类型选择方面，区域二采用All Tri（三角形）结构，区域一和区域三采用Quad Dominant（网格单元基本上都是四边形结构，只有一小部分是三角形结构）结构。生成的总网格数为704 087，面数为1 136 516，节点数为432 414，见表1。

图2 模型网格划分示意图

表1 划分完成的网格信息

3、求解设置

在fluent软件中打开划分完成的msh格式的文件，然后进行计算设置。**通过检查网格尺寸的信息可以看出网格的*小体积和*小面积都不是负数，符合要求，见表2。

表2 网格尺寸信息Solver Type选择Pressure-based；Time选择Transient；Velocity Formulation选择Absolute；2D Space选择Planar；选择Gravity，设置Y方向重力加速度为－9.81 m/s2；Viscous Model选择标准k-ε模型，模型的参数均使用默认参数。控制方程如下：由于叶轮内部的气体是与叶轮同步转动的，在考虑粘性假设的情况下，连续性方程以及动量方程见下式：

（1）式中，p为压强；μe为有效粘性系数；ρ为流体密度；xj为各坐标分量；uj为平均相对速度分量；ωj为角速度；εijk为张量。采用标准k-ε模型，得出μt如下：

（2）k和ε的方程为：

（3）式中，pk为湍动能k的生成项，由下式确定：

（4）其中Cu、σk、σε、C1和C2为五个可调整的常数，它们的值分别为Cu=0.09，σk =1.0，σε=1.3，C1=1.44，C2=1.92。（1）设置材料属性流体介质为空气（air）。（2）设置边界条件进口边界条件：mass-flow-inlet:0.08 kg/s；速度方向：沿叶轮轴方向进气；出口边界条件：静压145 000 Pa；壁面边界条件：转动壁面，输入转速4 200 rad/s；静止壁面，输入转速0；初始进口压力：101 100 Pa。（3）选择求解控制参数速度与压力耦合方式采用SIMPLEC，动量、湍动能以及耗散率全部采用二阶迎风格式。（4）计算初始化并设置监视器残差监视器采用初始设置，先进行流场的初始化，然后进行迭代运算，由图3可以看出，随着迭代次数的增加残差值呈现出越来越小的现象，收敛结果在迭代次数在2 000次左右时得出。

图3 计算2 000次后的全局残差曲线

4、结果显示及分析

通过File→Read→Case&Date命令，读入计算完成任意时刻的Case和Date文件。选择Results→ Graphics命令，分别查看Contours和Vectors选项，得到如下的云图和矢量图。

图4 静压云图由图4静压云图可以看出，从入口到叶轮转动区域，再到扩压器、蜗壳区域内空气的流通比较均匀顺畅，其中叶轮转动区域静压分布不均匀，上部静压较小，在底部叶轮出口位置静压达到*大值，进入扩压器后压力保持较大，*后蜗壳出口区域静压较小。

图5 全压云图由图5全压云图可以看出，由于随着叶轮的转动，对周围空气不断做功，再加上重力作用的影响，所以此区域静压值呈现出由上而下逐渐增大的现象，在*底部的叶轮出口处静压达到*大，然后随着气体进入扩压器、蜗壳流动区域越来越大，总压力开始降低。总体来说整个流道内气体流动还是比较顺畅的。由图6速度矢量图可以看出，由于叶轮带动空气高速旋转，因此在叶轮转动的区域内气流速度较快，再加上重力的影响，下半部分气流达到*大值，随着气流进入扩压器、蜗壳后流通区域扩大，速度降低，*后在蜗壳出口处由于空间变狭窄速度再次提高。

图6 速度矢量图

5 、计算与参考文献结果比较

数值计算和查询参考文献得到的参数如表3所示，可以看出不管是压比还是多变效率，计算值和参考文献值的误差都在3%以内，这说明数值模拟的结果真实有效的反映了空压机内部流场的流动情况。

表3 计算值与试验值结果比较

6、结论

以Fluent 18.0软件为仿真平台，利用计算流体动力学的方法对某一氢燃料电池空压机的内部流场进行了数值模拟，得到了不同时刻的压力分布及速度分布情况。通过分析揭示了空压机内部流动现象和规律，*后通过和试验数据进行比较，压比和多变效率方面，数值模拟结果和参考文献结果误差都在3%以内，说明仿真结果真实的反映了空压机内部的流动情况，从而为提高空压机的性能提供理论依据。

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