管路中甲烷空气扩散混合模拟
正文共：1393字13图预计阅读时间：4分钟1前言今天，我们研究一个实际应用问题。两段管分别通入空气和甲烷，并在下游的母管汇合排入大气环境。假设某个时刻，空气和甲烷入口突然关闭，显然接下来空气和甲烷将通过扩散进行混合，我们关注甲烷入口什么时候会出现显著量的空气（亦即甲烷浓度显著降低），并且按两种情况考虑，第一种情况：出口未关闭；第二种情况：出口也随即很快关闭。对于第一种情况，相当于还有一个空气源，源源不断进入管道系统，足够久时间后管道系统内应该接近于完全由空气占据；第二种情况，相当于形成一个封闭的空间，管道系统内残余的空气和甲烷进行混合至均匀。2建模与网格创建如下的二维平面模型，划分四边形结构化网格。3边界条件与求解设置湍流模型我们选择k-e两方程模型，按如下设置。开启组分输运模型，组分为甲烷和空气，物性参数采用默认设置，需要指出的是，本案例的一个关键参数是扩散系数，这会直接影响到计算结果，甲烷在空气中的扩散系数应该有比较权威的实测值。甲烷入口和空气入口均设置为速度入口，速度分别为1m/s和5m/s，组分分别为100%甲烷和100%空气。出口为压力出口，回流组分为100%空气，表压为0Pa，表征外部大气环境。开启重力选项，这个设置对于模拟实际情况也是相当重要的，因为把密度差引起的自然对流也考虑进去。需要指出的是，实际上温度场也很重要，倘若计算域内的不同位置具有显著的温度差异，则还需要考虑温度的影响，因为温度影响密度从而影响对流。说到底，这是一个自然对流、扩散的综合问题。当然，考虑的因素越多，计算就越复杂，对于工程实际，这些因素要具体问题具体分析。我们采用动网格的event来模拟入口和出口的关闭，即在某个时刻将原先的边界条件改为壁面边界。本案例工况1：在0.5s时将甲烷入口和空气入口改为壁面；工况2：在0.5s将所有入口和出口改为壁面。先采用稳态求解获得初始速度场和浓度场，在此基础上开展瞬态计算，时间步长取0.02s。创建一个监视器，监测甲烷入口位置的甲烷平均浓度。4计算结果首先，获得的初始稳态浓度场如下。工况1，一分钟内甲烷入口的甲烷平均浓度曲线如下，可以看出约在10s后空气便扩散到了甲烷入口，后续空气含量越来越多，我们没有监测空气入口的甲烷含量，实际上该位置的甲烷也会越来会多。60s时，甲烷入口的平均浓度为98.69%，空气入口的甲烷含量为7.4%。工况2，一分钟内甲烷入口的甲烷平均浓度曲线如下，同样可以看出约在10s后空气便扩散到了甲烷入口，后续空气含量越来越多。60s时，甲烷入口的平均浓度为98.35%，空气入口的甲烷含量为7.8%。本案例讨论的问题在SOFC系统测试中具有很强的指导意义，在系统出现急停的时候，如果未在燃料管路继续通入还原性气体，氧气会往阳极扩散，可能会对电堆阳极带来氧化的风险。当然，这里有两个问题值得探讨，第一是在高温下的急停，氧气扩散的同时也会与燃料发生氧化反应，氧分子也在被消耗掉；第二是达到电堆阳极的氧气浓度未必短时间内很高，可能即使被氧化，也可以在后续的启动中进行还原，当然前提是氧化不是很严重，如果很严重则可能氧化镍会将电池片挤裂。另外，当扩散距离越远时，所需的时间越长，理论上在氧分子到达阳极这段时间内还有时间对系统进行应急处理，而这个时间是可以通过仿真计算进行估计的。总的来说，在系统急停时最好能第一时间通入还原性气体，这样阳极就不会存在氧化的风险了。来源：仿真与工程
