基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法技术领域1.本发明属于数值模拟技术领域，涉及计算流体动力学、数值传热学、电化学、物理仿真技术，具体涉及基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法。
背景技术：
2.随着碳达峰碳中和目标的提出，基于氢的质子交换膜燃料电池广泛受到人们的关注。相比于传统化石燃料能源转换装置，质子交换膜燃料电池产物无污染，同时高效产生电、热，运行时无噪音。目前，氢质子交换膜燃料电池已经应用于汽车、建筑、航天航空等领域。随着相关技术的进一步发展，预计在未来氢燃料电池数量将会更多，应用场景将更广泛。3.氢燃料电池运行过程中，并不一直处于稳态运行状态。燃料电池启动、负荷变化、有害气体进入都会导致其不能始终处于稳态运行工况，使其内部场发生变化，甚至会对燃料电池产生破坏。燃料电池冷启动会制约燃料电池的利用，由于温度较低，会导致燃料电池停机，甚至对其内部结构产生破坏。因此，研究燃料电池冷启动情况下其结冰位置、各参数对其功率的影响是很有必要的。4.由于实验手段的局限，常常只能选择燃料电池中一两个测点进行测量，不能全面反映燃料电池内部的变化，因此运用计算流体力学进行仿真模拟成为了一种研究燃料电池瞬态变化过程的重要方法。传统的方法以国外的商业fluent，cosmal等软件为主，然而一方面这些软件的内部代码并不公开，使得用户无法根据自己需求自由修改代码，另一方面，用户需要缴纳一定的版权费进行使用，同时在美国不断扩大其实体清单，难以确定未来是否还能够安全地使用商业软件。
技术实现要素：
5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种基于penfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，解决现有技术中的商业软件开源性不足导致数值模拟过程中存在诸多不便的技术问题。6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：7.一种基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，该方法包括以下步骤：8.步骤一，首先建立燃料电池双极板三维模型，并采用openfoam平台中的snappyhexmesh网格划分处理器划分双极板的网格；9.步骤二，修改字典文件设置扩散层、催化层以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分；10.步骤三，利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数；11.步骤四，通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取物理参数的值；12.步骤五，使用openfoam平台中的paraview对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟，或正常启动状态下的温度场和浓度场的数值模拟。13.本发明还具有如下技术特征：14.步骤三中，所述的初始物理参数包括流速、温度、膜态水含量和压力；15.步骤四中，所述的物理参数包括电压、电流、温度和流场流速变化。16.步骤四中，使用求解器求解过程中，先根据上一时间步的膜态水含量、水蒸气含量、液态水含量以及冰含量，及上一时间步中由化学反应、电渗和压力渗透过程中水的含量求解相变过程源项，并根据源项求解当前时间步长的膜态水含量、水蒸气含量、液态水含量以及冰含量，再求解该时间步长下膜态水含量、水蒸气含量、液态水含量以及冰含量。17.步骤四中，使用求解器求解过程中，针对膜态水的电渗运输方式，将阳极扩散层-膜-阴极扩散层的运输设定为按时间变化的定梯度边界条件。18.步骤四中，使用求解器求解过程中，针对液压渗透作用，将其渗透过程视为膜态水在膜两侧的渗透，并设定为按时间变化的定梯度边界条件。19.步骤四中，对燃料电池电流及电压方程的求解过程为：20.电流及电压方程式中，电压损失包括欧姆损失、极化损失以及活化损失；21.在定电流启动模式下，将电流直接代入方程中获得燃料电池电压变化情况；22.在定电压启动模式下，利用泰勒展开方法将电压及电流展开为关于电流及电压的一元三次多项式，并通过三次方程求根公式求解电压。23.本发明还保护一种基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟系统，该系统包括：24.双极板网格生成模块，用于建立燃料电池双极板三维模型，并采用openfoam平台中的snappyhexmesh网格划分处理器划分双极板的网格；25.流场及电极生成模块，用于修改字典文件设置扩散层、催化层以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分；26.初始条件设置模块，用于利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数；27.求解器模块，用于通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取物理参数的值；28.可视化模块，用于使用openfoam平台中的paraview对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟，或正常启动状态下的温度场和浓度场的数值模拟。29.本发明还保护一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如上所述的基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法。30.本发明还保护一种计算机设备，包括如上所述的基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟系统。31.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：32.(ⅰ)本发明的方法中的数值仿真模型可以根据要求任意设置双极板的形状尺寸并自动生成网格，成本更低，灵活性更大。33.(ⅱ)本发明的方法整合了现有的部分求解器，同时研发了新的求解器，能够对质子交换膜氢燃料电池瞬态工况进行仿真，并且效果优异。34.(ⅲ)本发明的方法与市面上现有的商业软件中的结冰仿真相比，对电压电流的求解方式有很大区别，膜态水的模型及计算方式也不同，同时算法和代码全部开源，可以直接对求解器的内核进行调整和修改，可以检测整个求解过程每一次计算的详细结果。附图说明35.图1是燃料电池单流道网格图。36.图2是6s时扩散层冰体积分数图。37.图3是输出电压随时间变化曲线。38.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式39.需要说明的是，本发明中的所有设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的设备。openfoam平台为本领域已知的openfoam平台。40.本发明的目的在于提供基于计算流体力学及数值传热学仿真模型的质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟仿真方法，基于openfoam开源软件平台，修改现有稳态燃料电池求解器，结合现有理论，综合燃料电池运行实际过程，分步对求解器进行开发，最终得到一套完成的质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟仿真过程。同时，燃料电池可以根据要求任意设置其形状、尺寸，和商业软件相比生成网格的成本更低，模型具有很大的灵活性。41.本发明基于现有openfoam质子交换膜氢燃料电池稳态气液两相流求解器进行开发，同时基于燃料电池领域研究成果，研发了新的质子交换膜氢燃料电池电流、电压求解器、膜态水传输求解器、三相求解器，能够对燃料电池膜态水、冰、电流、电压等物理过程进行仿真，且计算结果符合实验结果，同时也能对正常燃料电池瞬态运行工况进行仿真，特别是针对燃料电池低温冷启动工况下的数值仿真，与市面上现有的商业软件中的质子交换膜氢燃料电池及基于此的质子交换膜氢燃料电池仿真相比，主要优点是算法和代码全部开源，可以直接对求解器的内核进行调整和修改，同时可扩展性强，易于进行并行计算，可通过简单的参数设置就可以对形状复杂的燃料电池进行系统仿真，并可以检查整个求解过程中每一次计算的详细结果。42.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。43.实施例1：44.本实施例给出一种基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，该方法包括以下步骤：45.步骤一，首先建立燃料电池双极板三维模型，并采用openfoam平台中的snappyhexmesh网格划分处理器划分双极板的网格；46.本实施例中，步骤一中的燃料电池双极板三维模型网格划分无需手动划分，在双极板厚度不变的情况下，可通过snappyhexmesh网格划分处理器对各种流场板形状进行自动划分，snappyhexmesh是openfoam自带的网格划分处理器。47.步骤二，修改字典文件设置扩散层(gdl)、催化层(cl)以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分；48.本实施例中，在步骤二中，燃料电池各部分厚度不变的情况下，可以通过脚本直接对燃料电池整体进行区域划分、网格生成及细化加密处理，在厚度改变的情况下，仅需改变厚度位置坐标就可进行网格划分。49.步骤三，利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数；50.步骤三中，所述的初始物理参数包括流速、温度、膜态水含量和压力；51.步骤四，通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取物理参数的值；52.步骤四中，所述的物理参数包括电压、电流、温度和流程流速变化。53.步骤四中，使用求解器求解过程中，先根据上一时间步的膜态水含量、水蒸气含量、液态水含量以及冰含量，及上一时间步中由化学反应、电渗和压力渗透过程中水的含量求解相变过程源项，并根据源项求解当前时间步长的膜态水含量、水蒸气含量、液态水含量以及冰含量，再求解该时间步长下膜态水含量、水蒸气含量、液态水含量以及冰含量。54.步骤四中，使用求解器求解过程中，针对膜态水的电渗运输方式，将阳极扩散层-膜-阴极扩散层的运输设定为按时间变化的定梯度边界条件。55.步骤四中，使用求解器求解过程中，针对液压渗透作用，将其渗透过程视为膜态水在膜两侧的渗透，并设定为按时间变化的定梯度边界条件。56.步骤四中，对燃料电池电流及电压方程的求解过程为：57.电流及电压方程式中，电压损失包括欧姆损失、极化损失以及活化损失；58.在定电流启动模式下，将电流直接代入方程中获得燃料电池电压变化情况；59.在定电压启动模式下，利用泰勒展开方法将电压及电流展开为关于电流及电压的一元三次多项式，并通过三次方程求根公式求解电压。60.本实施例中，具体而言：61.涉及的气液冰两三相控制方程对应的瞬态求解器根据目前已有的燃料电池开源两相流稳态求解器进行修改，气液冰两三相控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程以及组分输运方程，如下所列：62.温度求解器通过全局网格对燃料电池整体能量控制方程进行求解：[0063][0064]式中：[0065]t为时间步长；[0066]ρmix为网格内固体以及流体的混合密度；[0067]cp,mix为网格内固体以及流体的混合比热容；[0068]ρmixf为网格内流体的混合密度；[0069]cp,mixf为网格内流体的混合比热容；[0070]ug为混合气体的流速；[0071]t为网格内的温度；[0072]kmix为网格内的固体及流体的混合热扩散系数；[0073]代表反应热源项，表示电化学反应对燃料电池内部的加热作用；[0074]为相变热源项，表示水在膜态水-液态水-气态水之间转化过程中产生的相变热。[0075]进一步的，要求解温度，需要利用气体组分求解器以及气体流动求解器求解气体的密度以及气体流速，气体组分求解器用于求解各种气体的气体输运方程：[0076][0077]式中：[0078]ε为孔隙率，特别地在流道中，ε设置为1；[0079]slq为液态水在网格中所占的体积分数；[0080]sice为液态水在网格中所占的体积分数；[0081]ρg为混合气体密度；[0082]yi为第i种气体的组分分数；[0083]ug为混合气体的流速；[0084]为气体在多孔介质中的有效扩散系数；[0085]为气体源项，用于表示反应气体的减少以及生成物的增加。[0086]对于混合气体，其混合气体的密度利用各种组分气体不同密度进行加权的方式进行计算：[0087][0088]式中：[0089]pg为混合气体压力；[0090]r为气体常数；[0091]mi为气体组分i的相对分子质量。[0092]气体流速求解器通过求解气体的动量方程获得气体的流速：[0093][0094]式中：[0095]μg为混合气体的气体黏度；[0096]su为多孔介质导致的气体流动阻力的源项。[0097]液态水组分求解器通过求解液态水的质量守恒方程获得液态水的体积分数：[0098][0099]式中：[0100]ρlq为液态水的密度；[0101]dlq为液态水的扩散系数；[0102]ulq为液态水的流速，在本实施例中，液态水的流速等于气体的流速，即ulq＝ug；[0103]slq为液态水的相变源项。[0104][0105]式中：[0106]ρice为冰的密度；[0107]sice为冰的相变源项。[0108]水在燃料电池中除了液态水、气态水蒸气以及固体冰以外，还存在和聚合物结合的膜态水，膜态水的含量通过求解膜态水连续性方程获得：[0109][0110]式中：[0111]ρmem为质子交换膜干膜的密度；[0112]ew为膜的当量；[0113]ω为聚合物含量；[0114]λnf为未冻结膜态水水的含量；[0115]dnmw为未冻结膜态水的扩散系数；[0116]snmw为未冻结水的相变源项。[0117]在冰点以下，未冻结膜态水会转变为冻结膜态水，冻结膜态水含量为：[0118][0119]式中：[0120]λf为冻结水含量；[0121]sfmw为冻结水源项，代表冻结水相变对其含量的影响。[0122]阴极的膜态水和阳极的膜态水会通过质子交换膜进行扩膜运输，质子交换膜跨膜运输边界求解器考虑了燃料电池膜态水在催化层以及膜中的运输，膜态水在其中的运输主要涉及压差渗透输送、电渗拖拽以及反向扩散：[0123]j＝jeod+jpressure+jdiffusion[0124]式中：[0125]j为输送膜态水总流量；[0126]jeod为电渗拖拽总流量；[0127]jpressure为压差渗透输送流量；[0128]jdiffusion为反向扩散流量。[0129]电渗拖拽总流量jeod的计算方法为：[0130][0131]式中：[0132]nd为电渗拖拽系数；[0133]j为燃料电池电流密度；[0134]n为电荷量，对于1mol氢气，其数值为2c；[0135]f为法拉第常量96485c·mol-1；[0136]电渗拖拽系数nd定义为每个氢离子所结合或携带的水分子个数：[0137][0138]压差渗透输送流量jpressure为：[0139][0140]式中：[0141]为水的分子质量；[0142]δmem为质子交换膜的厚度；[0143]kmem为膜的相对渗透率；[0144]为阳极液态水的压力；[0145]为阴极液态水的压力。[0146]反扩散流量jdiffusion为：[0147][0148]式中：[0149]z为沿膜方向的厚度。[0150]即可得到其跨膜运输边界条件并求解。[0151]涉及的电流-电压求解器电池电压等于理论开路电压减去活化损耗、欧姆损耗以及浓度损耗，并离散后进行求解：[0152]v＝e-ηa-ηc-iω[0153]式中：[0154]v为燃料电池的输出电压；[0155]e为可逆电压；[0156]ηa为活化过电位；[0157]ηc为浓度过电位；[0158]i为燃料电池电流；[0159]ω为燃料电池电阻，包括阴阳极双极板、阴阳极气体扩散层(gdl)、阴阳极催化层(cl)及质子交换膜的电阻。[0160]步骤五，使用openfoam平台中的paraview对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟，或正常启动状态下的温度场和浓度场的数值模拟。[0161]其中，在网格划分部分，既可以使用blockmesh和setset的方法绘出网格，也可以利用snappyhexmesh对复杂结构的燃料电池绘出网格结构。[0162]实施例2：[0163]本实施例给出一种基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟系统，该系统包括：[0164]双极板网格生成模块，用于建立燃料电池双极板三维模型，并采用openfoam平台中的snappyhexmesh网格划分处理器划分双极板的网格；双极板网格生成模块能够设置双极板的大小、位置以及网格的尺寸及细化程度。[0165]流场及电极生成模块，用于修改字典文件设置扩散层、催化层以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分；流场及电极生成模块能够设置燃料电池的流场及电极位置，设定某一区域内的网格为燃料电池的流场及电极，并去除该区域内双极板的网格获得燃料电池流场及电极的网格，阴极和阳极流道网格中又包括阴极和阳极流道、阴极和阳极扩散层、阴极和阳极催化层，以及膜网格。[0166]初始条件设置模块，用于利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数；初始条件设置模块能够设置燃料电池的初始条件，需要设置的参数有水含量、冰含量、进口气体比例、进出口气体速度、压力、未冻结膜态水含量以及膜态水含量。[0167]求解器模块，用于通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取物理参数的值；求解器模块能够使用求解器求解得到燃料电池内部速度场、温度场、浓度场、压力场、膜态水含量等物理量的值。[0168]可视化模块，用于使用openfoam平台中的paraview对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟，或正常启动状态下的温度场和浓度场的数值模拟。[0169]本实施例的系统还包括实施例1中的其它全部相关技术内容。[0170]实施例3：[0171]本实施例给出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现实施例1中的基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法。[0172]实施例4：[0173]本实施例给出一种计算机设备，包括实施例2中的基于openfoam平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟系统。[0174]应用例：[0175]遵从上述实施例1的步骤一中所述，建立燃料电池直流道三维模型，流场板结构为单流道，建立的模型需要转化为stl格式，并利用snappyhexmesh划分双极板的网格，需要根据需求设置网格的加密程度。[0176]遵从上述实施例1的步骤二修改字典文件设置扩散层(gdl)、催化层(cl)以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分，划分好的网格如图1所示。[0177]遵从上述实施例1的步骤三中所述，利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数，,流速、温度、膜态水含量、压力等的初始条件。[0178]遵从上述实施例1的步骤四中所述，通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取电压、电流、温度、流程流速变化等物理参数的值，获得的电压随时间的变化关系曲线如图2所示。[0179]遵从上述实施例1的步骤五中所述，使用paraview对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟云图如图2所示，并通过paraview导出燃料电池电压曲线随时间变化关系如图3所示。[0180]综上所述，本发明基于计算流体力学、数值传热学及电化学的质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，其模型建立方法及算法和市面上的商业软件有明显的区别；本发明涉及到的跨膜运输边界求解器、电压及电流求解器、膜态水输送求解器为自研，同时结合了部分开源求解器，与市面上的差异明显，同时，其具有开源，可拓展性好的优点。。