شبیه سازی عددی دو بعدی و چند جزئی پیل سوختی متانولی با استفاده از روش شبکه بولتزمن

در این رساله از روش شبکه بولتزمن برای شبیه سازی پیل سوختی متانولی استفاده گردید. ساختار شبکه بولتزمن استفاده شده، d2q9، دوبعدی با نه بردار سرعت بوده است. محدوده شبیه سازی شامل تمام هفت بخش پیل سوختی شامل: کانال آندی، لایه های نفوذ و کاتالیست آندی، غشاء، کانال کاتدی، لایه های نفوذ و کاتالیست کاتدی می شود. این هفت بخش شامل هم نواحی متخلخل و هم غیر متخلخل بوده اند؛ لذا کلیه معادلات لازم برای شبیه سازی جریان سیال، انتقال حرارت و غلظت اجزای شیمیایی مختلف، در این نواحی به منظور پیش بینی کارایی پیل سوختی توسط روش شبکه بولتزمن حل گردیدند. برای شبیه سازی همزمان میدانهای سرعت و دما لازم است از توابع توزیع جداگانه ای برای هرکدام استفاده شود. در محاسبات میدان غلظت اجزاء نیز باید برای تعیین غلظت هرجزء شیمیایی از تابع توزیع جداگانه ای استفاده نمود. با توجه به تغییر خواص مواد در کانالهای آندی و کاتدی و تفاوت زیاد سرعتها در این نواحی، برای هر کدام از نواحی آندی و کاتدی از توابع توزیع جداگانه ای استفاده شده است. با توجه به عدم پیش بینی درست توسط معادله دارسی برای جریان در نواحی متخلخل در محدوده وسیعی از سرعتها، در این رساله شبیه سازی محیط متخلخل با استفاده از روش برینکمن ـ فورچهایمر شرح داده و استفاده شده است. همچنین نحوه محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی در نواحی متخلخل، ناشی از انتقال حرارت در بخشهای جامد و سیال ذکر گردید. برای رسیدن به پاسخهای دقیق، باید اندازه (قدر مطلق) متغیر مورد بررسی در شبیه سازی lbm بین 0 و 1 تغییر کند، لذا باید از بی بعد سازی یا تغییر متغیر مناسبی استفاده نمود. در نتیجه باید ضرایب نفوذ، شرایط مرزی و عبارتهای چشمه را با توجه به این مطلب اصلاح کرد. از موارد بحرانی در شبیه سازیها، چگونگی اعمال مناسب عبارتهای چشمه در معادلات مربوط به میدان دما و غلظت اجزاء شیمیایی بوده است. در این رابطه باید بازه زمانی در روش شبکه بولتزمن را به شکل درستی با بازه زمانی در مدل واقعی مرتبط نمود. با توجه به شبیه سازی میدانهای سرعت، دما و غلظت در پیل سوختی، اعداد بی بعد، رینولدز، پرانتل و اشمیت باید در روش شبکه بولتزمن برابر مقادیر واقعی در مدل اصلی باشند. به منظور مستند سازی کد lbm مورد استفاده در این رساله برای شبیه سازی میدانهای سرعت و متغیری عددی (مانند دما) در نواحی شفاف و متخلخل برای سرعتهای متفاوت، شبیه سازیهای مختلفی انجام شد. در شبیه سازیهای میدان سرعت و دما در کانال و محفظه مربعی به صورت شفاف و متخلخل نتایج سازگاری بسیار خوبی با نتایج موجود در سابقه علمی موضوع داشته اند. در شبیه سازی پیل سوختی نیز سازگاری خوبی در مقایسه با نتایج موجود در سابقه علمی موضوع و نتایج تجربی مشاهده گردید. در شبیه سازی ها از فرض جریان چند جزئی استفاده شد، لذا هر عاملی که با افزایش غلظت فاز ثانویه باعث انحراف جریان از مدل چند جزئی گردد، دقت شبیه سازی را کاهش خواهد داد؛ از این عوامل می توان به افزایش چگالی جریان (با افزایش نرخ واکنش)، غلظت متانول در ورودی (با افزایش مواد اولیه جهت انجام واکنش)، دما (با تسریع در نرخ واکنش) و طول کانال (انباشته شدن و افزایش غلظت فاز ثانویه با حرکت سیال در طول کانال) اشاره نمود.