加氢空冷系统氯化铵沉积多场耦合模型及数值模拟
浙江理工大学学报,第28卷,第6期,2011年11月
Journal of Zhejiang Sc-i Tech U niv ersity
Vol.28,N o.6,Nov.2011
文章编号:1673-3851(2011)06-0881-05
加氢空冷系统氯化铵沉积多场耦合模型及数值模拟
偶国富1,2,金浩哲1,曹 晶1,谢浩平1
(1.浙江理工大学多相流沉积 冲蚀实验室,杭州310018; 2.杭州富如德科技有限公司,杭州310018)
摘 要:通过分析铵盐在加氢空冷管束内的结晶沉积过程,构建流动场、温度场和浓度场耦合作用下的铵盐沉积计算模型,并结合有限元法对氯化铵盐的流动沉积过程进行了数值模拟。研究结果表明:铵盐流动沉积是一个多物理场耦合的过程,典型工况下加氢空冷系统中氯化铵最大沉积量位于距管束入口0.98m处。该数值模拟方法可有效预测实际空冷器管束入口铵盐沉积失效危险区域。
关键词:多场耦合;空冷管束;铵盐;沉积;数值模拟
中图分类号:T Q026.5 文献标识码:A
0 引 言
加氢裂化作为石油化工企业的核心技术,其反应流出物空冷系统的失效是制约装置安全稳定运行的重要因素。氯化铵盐沉积腐蚀引起的管束减薄穿孔现象,是加氢裂化空冷器遇到的常见问题。腐蚀的原因是气相中的NH3和H Cl在一定温度下发生结晶反应,生成具有很强吸湿性的NH4Cl,当其沉积在管壁上时,会吸收气相中的水分而形成高浓度NH4Cl溶液。NH4Cl溶液对碳钢有很强的腐蚀性,腐蚀速率与H Cl溶液腐蚀速率接近[1-3]。目前,国内外学者对氯化铵沉积引起的腐蚀进行了多方面的研究,主要有:在不考虑流动的情况下,Wu Y M[4]通过实验方法给出铵盐沉积计算相应方法,并得到沉积量随温度的变化规律;Sun A D[5]综合了热力学过程和离子平衡模型,分析氯化铵腐蚀预测方法,但忽略了质量传递作用对沉积过程的影响。事实上,铵盐的结晶沉积过程涉及化学反应、多相流动、传热传质等多个领域,受到流动场、温度场和浓度场等多场耦合作用,而现有研究未能形成合理的铵盐沉积计算方法和有效的腐蚀预测技术,工程现场的腐蚀失效现象仍频繁发生。
本文在分析NH4Cl沉积机理的基础上,结合流体流动、对流传热、对流扩散、结晶反应及沉积速率等方面,进行NH4Cl结晶沉积数值模拟计算,并用现场失效解剖案例对模拟结果进行对比,验证数值方法的可行性。
1 沉积机理分析
加氢反应空冷器物理结构如图1所示。反应流出物在REAC管束内流动,同时受到外界空气冷却作用,流体温度会逐渐降低。当气相中NH3和H Cl的分压之积大于该温度下结晶反应的平衡常数时,就会发生结晶反应,生成NH4Cl晶体颗粒。
由于管壁温度比流体温度低,流体流动所引起的能量扩散与传递作用,直接影响着管道系统的温度分布,产生径向温度梯度;流体物性随温度的变化规律,又使得温度分布对流动场产生影响,形成流动场与温度
收稿日期:2011-01-17
基金项目:国家自然科学基金(50976106);浙江省自然科学基金重点项目(Z4080352);国家高科技研究发展计划(863计划)(2009AA04Z422)作者简介:偶国富(1965-),男,江苏太仓人,博士,教授,主要从事流动腐蚀预测和石化装置安全保障技术研究。
图1 空冷器管束结构
场的耦合作用。由于铵盐结晶反应速率随温度的降低而逐渐减
小,温度在气相中的不均匀分布使流体主体与壁面处NH 4Cl 颗粒
之间形成浓度梯度;同时,产生的反应热会引起管束内局部温度变
化,形成温度场与浓度场的耦合作用;在铵盐浓度梯度的推动下,
流体中的NH 4Cl 向管壁处扩散。与此同时,悬浮在气相中的
NH 4Cl 晶体颗粒与气相之间也进行着动量和质量交换,在剪切作
用下除了沿流动方向运动外,还以一定的角速度转动,形成流动场
和浓度场之间的耦合;铵盐晶体在耦合作用下由流速高处向流速
低处迁移,当其靠近管壁时,其角速度和线速度随流速降低而减小,最终沉积在固液界面上。综上,NH 4Cl 结晶沉积是一个多物理场耦合作用的过程,通过流动场、温度场和浓度场的耦合分析,可确定NH 4Cl 结晶颗粒在管壁处的沉积位置与数量。
2 计算模型
2.1 化学反应模型
随着温度降低,气相中的NH 3和H Cl 会发生可逆反应,生成NH 4Cl 晶体。化学反应式和不同温度下的结晶量 n 表达式如下:
NH 3(g )+H Cl(g)NH 4Cl(s)(1) n =(P HCl +P NH 3)-(P HCl +P NH 3)-4(P HCl P NH 3-K )2 n v P (2)
式中:n v 为气相总摩尔数(m ol);P 为气相总压(Pa);P HCl 和P NH 3分别为H Cl 和NH 3气体分压(Pa);K 为反应平衡常数,仅与温度T ( )有关,可表示如下:
K =[10(A-B )/(C +T)]24(3)
式中:A 、B 、C 均为常数,其中A=9.3557,B=3703.7,C=232。随着NH 4Cl 结晶反应的进行,不断有反应焓生成,引起加氢空冷管束内局部温度的变化。管束内局部温度发生变化,将影响能量的传递与扩散,使管束内温度场发生改变。
根据反应方程式,可建立计算结晶反应生成焓公式如下:
r H m (T )=H m (NH 4Cl,T )-H m (NH 3,T )-H m (H Cl,T )
(4)即温度T 时的摩尔反应焓为对应温度下反应产物的生成焓与反应物生成焓的差值。
2.2 流体流动模型
结合实际工况数据,管道内部流体流动采用湍流模型为标准k - 模型,其动量传递和连续性方程如下:
U t
- + C k 2 k ( U +( U)T )+ U U + P =0(5) U =0
(6)式中: 为流体密度(m 3/s); 为流体动力粘度(Pa s);U 为平均流速(m/s);P 为压力(Pa);k 为湍流能
(J); 为湍流能损耗率,C 和 k 为无量纲常数。
2.3 对流传热模型
管道内传热主要为流体外掠物体强制对流换热、流体在管道内强制对流换热和内外管壁间的热传导,在数值计算中采用对流与传导模型。对流传导控制方程为:
(k 0 T f )=Q - C P u T f (7)
式中:k 0为流体固有热传导率(W/(m ));k T 为湍流热传导率(W/(m K));T f 为流体温度( );C p 为常压热容(J/ );U 为流体流速,在固体区域流速为零(m /s);Q 为热源,在该模型中表示铵盐结晶过程方程的热量(J)。在求解流体区域时,考虑到涡流导致的混合效应,需要对流体的热传导率进行校正。湍流中的有效热传882 浙 江 理 工 大 学 学 报2011年 第28卷
导率k 0可分为流体固有热传导率k 1与湍流热传导率k 2之和:
k 0=k 1+k 2
(8)2.4 对流扩散模型
采用浓度场表征加氢空冷系统中铵盐随气相流动中的扩散情况,对流扩散方程可表示为:
c i t
+ (-D i c i +c i u )=R i (9)式中:D i 为扩散系数(m 2/s);c i 为物质浓度(kg/m 3);R i 为对应物质的反应速率(mol/s);可根据化学反
应模型结晶量和时间的对应关系求得不同温度下的结晶速率。
2.5 壁面铵盐沉积速率模型通过微粒群算法实现沉积速率测试数据的回归过程,结合铵盐沉积机理,建立沉积速率数学模型如下: w r =k w x d T d r y z d C d T n
(10)
式中:w r 为铵盐沉积速率(kg /s); w 为管内壁剪切应力(Pa);
d T d r 为管内壁温度梯度; 为流体动力粘度(Pa s);d C d T
为管内壁铵盐结晶浓度梯度;k 、x 、y 、z 、n 为无量纲回归系数。通过在壁面边界设置沉积速率边界条件,表示铵盐在壁面上的沉积过程及影响因素。式中的温度梯度和浓度梯度可结合流体流动模型、对流传热模型及对流扩散模型耦合计算得出。
3 数值求解方法与边界条件
由于NH 4Cl 结晶反应发生在入口端至水的露点温度处,所以取入口处1.5m 管束进行建模仿真,该工况条件下同一截面处顶端剪切应力最小,易发生铵盐沉积失效。建立计算模型与网格如图
2所示,管壁和衬
管尾部进行适当的网格加密,其中X 轴表示管道至入口端距离,Y 轴表示离管道中心的径向位置。模型尺寸与实际管道规格相同,为 25 3 9000m m,进口端设有316L 不锈钢衬管,规格为 19 1 600mm 。
图2 计算模型与网格
图3 多物理场模型间的耦合关系
采用有限元法同时求解3个模型的控
制方程,模型间耦合变量的关系如图3所
示。k - 湍流模块的边界设置中,充分考
虑流动过程中速度边界层的影响,在进口端
设置速度入口,尾端设置压力出口,在流固
界面处使用对数的墙函数条件;对流与传导
模块求解域设置中将铵盐反应焓以热源形式输入。边界设置中,在入口端输入进口流体温度,出口端设置为对流通量,上下外壁面设置壁面温度,固液界面处采用温度墙函数,即流固界面热通量边界条件,其余边界均设置为绝缘对称;对流与扩散模块中,在求解域中分别设置H Cl 、NH 3和NH 4Cl 的反应速率。其入口端输入3种物质的进口浓度,尾端设置为对流通量,壁面处设置与浓度、流速、温度等相关的沉积速率模型函数。
4 计算结果与讨论
4.1 计算结果分析
根据南京YZ 石化加氢空冷系统实际工况,反应流出物进口温度为160 ,流速为3.3m /s 时,计算得到的NH 4Cl 浓度场分布如图4所示。在衬管处由于壁面剪切应力较大,不锈钢表面沉积速率系数较小,所以NH 4Cl 浓度沿管长方向逐渐变大;在衬管后由于碳钢表面的沉积作用,使管束径向产生明显的浓度梯度;同883第6期偶国富等:加氢空冷系统氯化铵沉积多场耦合模型及数值模拟
时反应速率随温度的降低而降低,NH 4Cl 浓度在沉积作用下沿管长方向会出现减小现象。
管道顶端内壁面NH 4Cl 的浓度变化情况如图5所示。随反应流出物流动,NH 4Cl 在碳钢管束顶部的浓度值先增大,在距衬管尾端0.38m 处达到最大值后又逐渐减小,最大值为3.706 10-4mol/m 3
。这是由于衬管尾端为阶梯状结构,存在回流区域,NH 4Cl 向管壁扩散的同时还受到流体沿管长方向的作用力,在回流区域壁面处浓度值迅速增大;回流区域之后的铵盐浓度扩散速率较稳定,但由于沉积速率小于反应速率而使铵盐浓度逐渐增加;当增加至一定值后,沉积速率大于反应速率而使铵盐浓度逐渐减小,直至达到平衡或
出现液态水相。图4 入口管束铵盐浓度等位图
图5 近壁面处的铵盐浓度分布
由于沉积速率随壁面铵盐浓度增加而变大,所以近壁面NH 4Cl 浓度最大值所在位置会出现铵盐最大沉积量,最易吸收气相中的水分而发生垢下腐蚀。根据图5中近壁面处的铵盐浓度分布,可知该工况下的失效危险区域为距管束入口0.98m 处。
4.2
失效解剖对比
图6 加氢空冷器管束顶部腐蚀减薄示意
为验证该数值模拟方法的可行性,对YZ 石化公司
加氢空冷系统失效管束进行解剖分析。失效位置如图6
所示,管壁减薄区域主要集中在离管束入口1.5m 范围
内基管的顶部,最大减薄位置为离管束入口0.6m 顶部
处。由于管束底部存在少量油相,剪切应力较大,可及
时冲刷铵盐结晶而不易发生沉积。
仿真结果与实际腐蚀位置比较接近,相对误差小于
10%。误差产生的原因主要是实际运行工况条件并不
是一成不变的,且忽略了进口处存在一定量的铵盐初始
浓度及衬管上的铵盐沉积。对比结果表明该数值模拟
方法可用于预测空冷器入口铵盐沉积失效的危险区域。5 结 论
a)加氢空冷管束内铵盐结晶沉积与流动场、温度场和浓度场有关,是一个多物理场耦合过程;
b)铵盐流动沉积过程的计算模型主要包括化学反应模型、流体流动模型、对流传热模型、对流扩散模型和壁面沉积速率模型,可通过数值模拟方法实现多场直接耦合求解;
c)典型工况下的加氢空冷系统内最大氯化铵沉积量位于距管束入口0.98m 处,是沉积失效的危险区域;数值模拟结果与实际失效案例相符,表明了计算方法的准确可靠性。
参考文献:
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Internatio nal.CO RROSIO N.H ouston:N A CE Inter national P ublications Div ision,2010.
Mult-i Physical Field Coupling Models and N um erical
Simulation of Ammonium Salt Deposition
OU Guo -f u 1,2,J I N H ao -z he 1,CA O J ing 1,X I E H ao -p ing 1
(1.The Lab of M ult-i Phase Depo sitio n and Erosion,Zhejiang Sc -i T ech U niversity ,H angzho u
310018,China;2.H angzhou Fluid Technolog y Co.Ltd.,H angzhou 310018,China)
Abstract:By analyzing the process of amm onium salt cry stallizatio n and depositio n in hydr opr ocessing air co oler tubes,the amm onium salt deposition and mathematical m odels of the flow field,temperature field and concentration field coupling ar e established.A finite element method is used for the num er ical simulatio n of ammo nium chloride depo sitio n pr ocess.Based on the study,the anthors sug gest that the pro cess o f am monium salt deposition m ay be affected by mult-i physical field coupling.As the r esult o f the simulatio n,the positio n w ith m ax ium depo sitio n amo unt o f amm onium salt is 0.98m aw ay fro m the tube entrance in the air coo ler https://www.wendangku.net/doc/cd11972249.html, pared w ith actual failure instances,this method can be used effec -tively in pr edicting the relative sever ity of amm onium salt corr osion in hydroprocessing air co oler tubes.
Key words:mult-i physical field;air co oler tube;ammonium salt;deposition;numerical simulatio n
(责任编辑:杨元兆)885
第6期
偶国富等:加氢空冷系统氯化铵沉积多场耦合模型及数值模拟
ABAQUS顺序热力耦合分析实例
ABAQUS顺序热力耦合分析实例此实例中需要确定一个冷却栅管的温度场分布。温度场的求解采用稳态热分析，在此之后还将进行热应力分析来求出冷却栅管在温度作用下产生的位移和应力分布。由于冷却栅管比较长，并且是轴对称结构，根据上述特点，可以简化有限元分析模型。此实例中使用国际单位制。 1、part中创建轴对称可变形壳体，大致尺寸为1，通过creat line创建一个封闭曲线（0.127,0） （0.304,0）（0.304,0.006）（0.152,0.006）（0.152,0.031）（0.127,0.031）（0.127,0） 使用creat Fillet功能对模型倒角处设置0.005的倒圆角。倒角后，模型并未改变，需要在模型树中，part下的Features右键，Regenerate，最终模型如下图所示。 2、在材料模块中定义密度7800，弹性模量1.93E11，泊松比0.3。所不同的是，热分析还需 要指定热传导系数以及比热。在Thermal里输入参数，热铲刀系数25.96，比热451。 3、创建截面属性以及装备部件，和普通的静力分析设置一样。 4、Step有所不同，分析类型仍为通用分析步，下面要更改为Heat Transfer。在Edit Step窗 口中，使用默认的瞬态分析（Transient），时长设置为3s。切换到Incrementatin进行相应的设置，如下图。
5、Load模块中，设置左边温度为100度，右边及上边温度为20度。Creat BC，类型选择 Other>Temperature。在纯粹的热传导分析方程中，没有位移项，因此不会发生刚体位移，这里也就不需要设置位移边界条件。 6、接下来划分网格，种子尺寸给0.005，单元类型需要在单元族中选择专门用来热分析的 Heat Transfer，查看下面确保使用的单元为DCAX4。使用结构化的全四边形网格划分方法。 7、到此，热分析的设置已经完成，可以提交计算，完成后，查看变量NT11即为节点温度。
蒸汽管道温度损失计算及分析
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J 2.1内表面换热系数的计算 根据H.Hansen的硏究结果”管内受迫流动的努谢尔特数可由下式计算: Pr为普朗特常数查表可得，本文主要针对供水网温度和回水网温度进行查找得： 90摄氏度时Pr=1.95;S 75摄氏度时Pr=2.38; 2?2外表面换热系数的计算 由于采用为直埋方式，管道对土壤的换热系数有： 式中： 人一管道埋设处的导热系数。 Ilt—管道中心到地面的距离。 3 ?假设条件： A. 管道材料为碳钢（w"5% ） B. 查表得：碳钢在75和90摄氏度时的昙热系数A都趋近于 36.7 w∕m?°C
水质水动力学耦合问题研究报告
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目录 1 基本资料概述 (1) 1.1 研究对象 (1) 1.2 研究目标 (1) 1.3 研究要求： (1) 1.4 研究信息和约束 (2) 2 研究思路 (2) 3 技术路线 (3) 4 研究内容 (3) 4.1 模型建立 (3) 4.2 方案制定 (4) 4.3 数值模拟 (4) 4.3.1 初始条件下数值模拟结果 (4) 4.3.2 方案一系列数值模拟结果 (5) 4.3.3 方案二系列数值模拟结果 (9) 4.4 结果分析 (13) 5 总结 (13)
1 基本资料概述 1.1 研究对象 本课题研究对象为一方形湖泊，长：1000.0m、宽：500.0m。湖底为平面，底高程为0.0m，四周岸堤高程均为5.0m。上方中间位置有一排污口。左右两侧中间位置各有一节制闸，最大过闸流量20m3/s，两节制闸均可汇入和汇出流量。平面结构如下图1所示： 500m 1000m 图1 研究对象平面结构示意图 1.2 研究目标 给定湖泊初始的水质条件和水位，计算在确定排污口排入污染过程下，10天时间内的湖泊水质变化过程。判定湖泊水体水质是否满足景观四类水体水质要求、何时不满足和哪些区域不达标。如果不达标，提出合理的补水方案(补水方式、补水时间等)，即如何通过左右两侧节制闸的调控，控制进入和汇出湖泊的水流过程，使得污染物稀释同时水体水质满足景观四类水体水质要求。 1.3 研究要求： （1）采取MIKE21软件模拟，hydrodynamic module+ transport module。模拟所需参数可采取软件推荐值或自行调研信息值。 （2）不考虑风对水流作用；考虑降雨和蒸发。 （3）不考虑污染物的生化反应，不考虑降解。
基于热力耦合的汽油机曲柄连杆机构结构分析
基于热力耦合的汽油机曲柄连杆机构结构分析 高洪1，胡静丽2，张海涛1，柳剑玲2，李玲纯1 （1.安徽工程大学机械与汽车工程学院 安徽芜湖 241000） （2.芜湖市质量技术监督局，安徽 芜湖 241000） 摘要：基于能量守恒、质量守恒和理想气体状态方程，建立汽油机作功行程气体质量、温度、压力随曲轴转角的函数关系求解模型。在此基础上，将曲柄连杆机构视为装配体，基于单区模型对该装配体进行热力学分析，基于多体动力学对该装配体进行机械负荷分析。最后在ANSYS12.1软件中实现该装配体的热力耦合分析。上述方法可用于解决曲柄连杆机构结构设计的强刚度评价问题，有助于缩短汽油机开发周期和减少成本。 主题词：汽油机；装配体；热负荷；机械负荷；热力耦合；结构分析 1 引言 对内燃机曲柄连杆机构的结构设计强刚度评价，一般有实验法和理论分析法两种。实验法固然可靠，但周期长耗资大；而理论分析法则一般对活塞作热力学分析，对连杆曲轴等只 作单一机械负荷分析[1~3]。 我们认为，从内燃机工作实际看，曲柄连杆机构应是机械负荷与热负荷耦合作用的。因此本文将多场耦合技术与装配体有限元分析技术结合，提出了基于热力耦合分析的汽油机曲柄连杆机构结构分析方法，可用于解决曲柄连杆机构结构设计的强刚度评价问题。 对内燃机工作过程的数值模拟，一般有单区（Single-Zone ）模型、双区模型、多区（Multi-Zone ）模型等。单区模型满足基本假设，即系统内各参数不随空间坐标而变化，只随曲轴转角而变化，其对应的数学模型为常微分方程组。而双区模型、多区模型则是单区模型的推广，前者用于排气污染分析和预测，后者则是将系统划分为n （n ≥3）个互相独立的子区，每个子区内各自满足单区模型基本假设，通过联立n 组微分方程可得燃烧室内各参数的数值解。 因讨论的目标是曲柄连杆机构各零件的强刚度问题，只涉及汽油机负荷、速度等运行特性并不计算有害排放物，故热力学分析中采用单区模型；机械负荷分析中则依据多体动力学进行。最后在ANSYS12.1软件中实现曲柄连杆机构装配体的热力耦合分析。 2 作功行程气体质量、温度、压力随曲轴转角的关系 四冲程汽油机工作过程是包含物理、化学、流动、传热、传质的复杂过程，一般由能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体状态方程把整个过程联系起来： ???? ?????=+=-+-+++=mRT pV d dm d dm d dm u h d dm u h d dm d dV p d dQ d dQ mc d dT e s e e s s W B v ?????????)]()([1 （1） 其中，?为曲轴转角，Q B 为燃料在气缸内燃烧放出的热量，Q W 为通过气缸壁面传入或传出的热量，h S 为进气门处工质的比焓，h e 为排气门处工质的比焓，u 为工质的比内能，c v 为定容过热比热容，m 为气缸内工质质量，m s 为流入气缸的质量，m e 为流出气缸的质量，R 为气体常数，p 为气缸内工质压力，V 为气缸工作容积，T 为气缸内工质温度。
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水质数学模型分类 按上游来水和排污随时间的变化情况： 动态模式、稳态模式 按水质分布状况： 零维、一维、二维和三维 按模拟预测的水质组分： 单一组分、多组分耦合模式 水质数学模式的求解方法及方程形式 解析解模式、数值解模式 河流水质模型 ? 河流完全混合模式、一维稳态模式、S-P 模式（适用于河流的充分混合段） ? 托马斯模式（适用于沉降作用明显河流的充分混合段） ? 二维稳态混合模式与二维稳态混合衰减模式（适用于平直河流的混合过程段） ? 弗罗模式与弗-罗衰减模式（适用于河流混合过程段以内断面的平均水质） ? 二维稳态累积流量模式与二维稳态混合衰减累积流量模式（适用于弯曲河流的混合过程段） ? 河流pH 模式与一维日均水温模式 河流完全混合模式 C －废水与河水完全混合后污染物的浓度，mg/L Qh －排污口上游来水流量，m3/s ) /()(h p h h p p Q Q Q c Q c c ++=
C h－上游来水的水质浓度，mg/L Qp－污水流量，m3/s Cp－污水中污染物的浓度， mg/L 适用条件：（1）废水与河水迅速完全混合后的污染物浓度计算；（2）污染物是持久性污染物，废水与河水经一定的时间（距离）完全混合后的污染物浓度预测。河流为恒定流动；废水连续稳定排放 一维稳态模式 C 为污染物的浓度；Dx 为纵向弥散系数， ux 断面平均流速；K 为污染物衰减系数 模型的适用对象：污染物浓度在各断面上分布均匀的中小型河流的水质预测BOD－DO耦合模型（S－P模型） 适用条件：河流充分混合段，污染物为耗氧有机物，需要预测河流溶解氧状态；河流为恒定流动，污染物连续稳定排放 氧垂曲线与临界点(最大氧亏值处） S-P模式的适用条件： ①河流充分混合段； ②污染物为耗氧性有机污染物； ③需要预测河流溶解氧状态； ④河流恒定流动；
质子交换膜燃料电池热力耦合仿真分析(1)
收稿日期：２００９－１１－２０ 基金项目：国家自然科学基金项目编号（５０８２０１２５５０６）作者简介：严蓉蓉（１９８６—），女，江苏省人，硕士，主要研究方向为质子交换膜燃料电池。 质子交换膜燃料电池热力耦合仿真分析 严蓉蓉，彭林法，刘冬安 (上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240) 摘要：温度是影响质子交换膜燃料电池电堆性能的一个重要因素，尤其是车用质子交换膜燃料电池工况非常复杂，温度变化范围跨度较大（－３０～８０℃）。针对温度和装配压力的耦合效应，建立了质子交换膜燃料电池电堆热力耦合三维有限元分析模型，通过定义螺栓预紧力及设置不同温度场模拟热力耦合效应，分析了热力耦合效应对由三个单电池组成的燃料电池电堆中单电池层内及电池之间应力分布影响规律，为保证燃料电池电堆层内与层间应力分布均匀，提高电堆装配质量提供了理论指导。 关键词：质子交换膜燃料电池；热力耦合；装配压力；应力分布中图分类号：ＴＭ９１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１０）０６－０６１０－０４ Simulation analysis of thermo-mechanical coupling of PEMFC stresses YAN Rong-rong,PENG Lin-fa,LIU Dong-an (State Key Lab.of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China) Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｓａｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ），ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎｔｈｏｓｅｕｓｅｄｉｎｖｅｈｉｃｌｅｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｗｉｄｅｒａｎｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｓ．Ｓｏ，ａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｏｆＰＥＭＦＣｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃｏｄｅＡＢＡＱＵＳ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｃｔｏｒｗａｓｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｂｙｉｍｐｏｓｉｎｇｂｏｌｔｌｏａｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｓｔａｃｋｗａｓｍａｄｅｕｐｏｆｔｈｒｅｅｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓ．Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｏｎｔｈｅｌｏｃａｌａｎｄｔｈｅｇｌｏｂａｌｓｃａｌｅｓ．Ｔｈｅｙｃａｎｈｅｌｐｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｔａｃｋａｓｓｅｍｂｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）；ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ；ａｓｓｅｍｂｌｙｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 质子交换膜燃料电池（PEMFC ）可以高效、环境友好地将储存在燃料中的化学能转化为电能，有着效率高、污染低、功率密度高、快速启动和较低的工作温度等优点[1]，所以PEMFC 将最有可能替代汽车内燃机，成为一种新的汽车动力源。 燃料电池由不同部件构成，在温度变化过程中，各部件热胀冷缩程度不同，而装配压力限制了部件的热胀冷缩，导致部件上的应力分布发生新变化，由此带来影响如下：在单电池内部，膜电极（MEA ）中的质子交换膜和电极可能会发生脱离，气体扩散层(GDL)很可能被压碎；在单电池之间，因为电堆是由单电池串联起来的，所以极板的制造误差、装配过程中的装配误差将会被放大。燃料电池作为新的动力源必须能够适应环境变化，一般而言，装配燃料电池是在20℃左右的环境中完成的，但是可能会在－30℃启动，随着内部反应的进行，电池在更高的温度下运行，最后稳定在80℃左右，热力耦合因素将会对电池性能产生重要影响。 在电堆装配压力研究方面，Shuo-Jen Lee 等[2] 建立了一个 单电池有限元模型，研究在一定装配压力下，燃料电池各个组 成部件的应力分布。Lee 提出了一个FEM 模型并且分析了单电池在给定装配压力下MEA 的应力分布，在同样装配压力下，应力在MEA 上的分布是中间最小，四周比较大。此外，宋霞[3]提出一个二维单流道模型分析了温度对质子交换膜屈服应力的影响。目前有关燃料电池电堆装配压力分布的仿真模型大部分是二维模型[4-5]，且没有考虑温度变化对电堆装配质量的影响。 本文建立了一种考虑温度影响的热力耦合三维有限元分析模型，研究在不同温度下，燃料电池电堆单电池层内、电池之间的应力分布，及其随温度变化规律，为保证燃料电池电堆层内与层间应力分布均匀，提高电堆装配质量提供理论指导。 １ＰＥＭ燃料电池热力耦合分析模型 １．１几何参数 质子交换膜燃料电池单电池结构为MEA 夹在两块极板之间形成一个单电池，电堆由多个单电池串联在一起[6]。采用三维模型模拟三个电池组成的一个电堆，结构包括两块端板、四块石墨双极板、三个密封圈、八个螺栓、八个螺母、三片MEA 。由于在计算过程中不考虑化学反应和传质，所以将质子交换膜、电极及气体扩散层做成一个整体。石墨双极板上流道的脊和槽宽都是1mm ，流道深度也是1mm ，本文所建立的仿真模型如图1所示。表1为部件几何尺寸 。
水环境数学模型研究进展
摘要 水环境数学模型的研究按照时间可以划分为三个阶段。对每个阶段的特点和发展情况进行了详细叙述。阐述了水质模型在水质预测、水质规划评价、水环境容量计算和水质预警预报中所起的作用,以及在国内外的实际应用情况。介绍了当前国内外在各个发展方向上的研究进展,说明水质模型未来的六个发展趋势:新模型的开发,不确定性水质模型的研究,水质模型与“3S”的结合,多介质环境生态综合模人工智能和水质模型的结合,地下水和地表水转换的水质模型。 关键词:水环境；水质模型；发展阶段
目录 引言 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 1.水质模型的发展过程................................................................................. 错误！未定义书签。 1.1第一阶段........................................................................................ 错误！未定义书签。 1.2第二阶段 (3) 1.3第三阶段 (3) 2 水质模型的应用 (4) 2.1 污染物在水环境中行为的模拟和预测 (4) 2.2 水质管理规划与评价...................................................................... 错误！未定义书签。 2.3 水环境容量 (6) 2.4 水质预警预报 (7) 3水质模型的发展趋势 (8) 3.1 新模型的开发 (8) 3.2 不确定性水质模型的研究 (8) 3.3 水质模型与“3S”的结合 (9) 3.4 多介质环境生态综合模型 (10) 3.5 人工智能和水质模型的结合 (11) 3.6 地下水与地表水转换的水质模型 (12) 4 参考文献 (12)