鋅氧化銀電池注液激活系統仿真模擬

彭 政，余江洪，趙書利

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鋅氧化銀電池注液激活系統仿真模擬

彭 政，余江洪，趙書利

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢，430064）

利用ANSYS Fluent軟件對鋅氧化銀一次電池注液激活系統進行模擬分析，在三種不同特性的點火器匹配注液激活系統條件下，模擬計算各個閥門能否正常開啟、開啟時間以及開啟的順序。分析計算得出各個閥門開啟的時間，能夠很好的指導注液系統設計。

鋅氧化銀一次電池 注液激活系統 CFD模擬

0 引言

鋅氧化銀電池是20世紀40年代初發展起來的一種化學電源，與其他化學電源相比，具有比能量高、比功率大、放電電壓平穩、高倍率放電能力強等優點[1]，廣泛應用于體積和重量要求苛刻的軍事、國防及尖端科技領域，作通信、照明、儀器儀表直流電源，以及特殊裝備的動力電源[2]。

鋅氧化銀一次電池，電解液貯存在儲液罐中，配有注液激活系統，電極和電解液在儲存期間不直接接觸，因而能較長時間保存而不失效，電池需要使用時，將電解液急速注入，使電池“激活”，在極短時間內產生所需要的電能[3]。

目前，飛行器上一次電源多采用自動激活鋅銀貯備電池。作為飛行器能量供給的重要設備，鋅銀電池的安全性能在很大程度上決定飛行器能否成功發射，因此必須充分考慮鋅銀電池使用過程中各種不安全因素的影響[4]。技術的日益發展對鋅銀電池提出了更苛刻的要求，如更高的比能量、比功率，更平穩的放電電壓和更高的安全可靠性等[5]。所以鋅氧化銀電池有著復雜的電解液注液系統，涉及到電解液均勻分配、流體阻力與管道通徑、注液時間等。注液均勻性對電池性能影響很大，局部性能稍有不均，影響較大，所以鋅氧化銀電池須保證注液可靠性高、一致性好。

采用CFD計算對鋅銀電池注液系統進行仿真，模擬注液激活系統中各個閥門的開啟情況，分析在一定壓力條件下，閥門能否開啟，開啟時間以及開啟的順序，以此利用理論計算模擬來指導注液系統的設計。

1 分析目的

利用ANSYS Fluent軟件對電池注液激活系統進行模擬分析，在三種不同特性的點火器匹配注液激活系統條件下，模擬計算出各個閥門能否正常開啟、開啟時間以及開啟的順序。

1.1 注液系統相關參數

參考環境溫度：15~45℃，參考壓力：101325 Pa，電解液材料：30%的KOH溶液。

1.2 注液激活系統幾何模型

注液激活系統為上中下三套閥門結構，每套閥門內又具有一個氣閥和兩個液閥。注液時，點火器點火產生的氣體充滿管道，當壓力增大到一定程度時，推動閥門運動；當閥門運動到一定下止閥時，閥門完全開啟，并停止運動。閥門閥芯位移為12 mm。

1.3 注液系統點火器參數

點火參數見表1。

表1 點火器參數

2 網格劃分及邊界條件設置

提取流體域，采用ICEM對模型進行網格劃分。由于需要考慮閥門開啟過程，會涉及到動網格，為了簡化計算以及提高計算效率，對模型進行六面體網格劃分，后續采用層鋪算法進行動網格的更新。

圖1 注液激活系統網格

采用密度基求解器，材料空氣選用ideal-gas模型來描述密度的變化；湍流模型選擇Standard K-ε湍流模型，基本形式簡單，通用性和精度均較高，能夠較好地適應工程中大部分復雜湍流流動；動網格模型選擇層鋪算法；使用UDF建立進口處氣流的壓力變化和溫度變化函數以及各個閥門閥芯在壓力驅動下的運動情況。

3 注液激活系統模擬

3.1 點火器1壓力模擬

由圖2閥門閥芯位移變化曲線可知，所有9個閥門在11 ms內均能全部開啟。閥門開啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側液閥-上部右側液閥-中部右側液閥-中部左側液閥-下部右側液閥-下部左側液閥-中部氣閥-下部氣閥。

閥門壓力變化情況：1）隨著發生器內產生的氣體增多，進入激活系統的氣體增多，激活系統內的壓力會逐漸升高。2）當閥門上作用的壓力大于0.35 MPa時，閥門開始開啟。3）閥門開啟過程中，雖然進入空間的氣體量一直增加，但閥門開啟的空間也在增加，因此作用在閥門上的壓力變化不會很大。4）閥門完全開啟后，隨著氣體量的增加，閥門上的壓力明顯增加。5）最上面一套閥門距離發生器最近，因此產生的氣體最先進入這一套閥門；中間以及下面的兩套閥門，距離發生器較遠，管道阻力會明顯增加，以此開啟時間會明顯滯后。6）上部三個閥門的峰值壓力可達1.45 MPa，中部注液閥門峰值壓力可達1.2 MPa，下部氣閥峰值壓力可達0.45 MPa，都能夠達到開啟壓力。

圖2 閥門開啟情況

圖3 閥門壓力變化過程

3.2 點火器2工況模擬

由圖4閥門閥芯位移變化曲線可知，所有9個閥門在6.5 ms內均能全部開啟。閥門開啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側液閥-上部右側液閥-中部右側液閥-中部左側液閥-中部氣閥-下部右側液閥-下部左側液閥-下部氣閥。

各個閥門的參數一致，只是點火器的峰值壓力不同，從閥門壓力變化圖5可以得出工況2與工況1各個閥門的壓力變化大致相同。上部三個閥門的峰值壓力可達2.2 MPa，中部注液閥門峰值壓力可達1.4 MPa，下部氣閥峰值壓力可達0.4 MPa，都能夠達到開啟壓力。

圖4 閥門開啟情況

圖5 閥門壓力變化過程

3.3 點火器3壓力模擬

由圖6閥門閥芯位移變化曲線可知，所有9個閥門在6.8 ms內均能全部開啟。閥門開啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側液閥-上部右側液閥-中部右側液閥-中部左側液閥-中部氣閥-下部右側液閥-下部左側液閥-下部氣閥。

各個閥門的參數一致，工況3點火器的峰值壓力與工況2點火器的峰值壓力接近，從閥門壓力變化圖7可以得出工況3與工況1和工況2各個閥門的壓力變化大致相同。上部三個閥門的峰值壓力可達2.25 MPa，中部注液閥門峰值壓力可達1.35 MPa，下部氣閥峰值壓力在九個閥門中最低，可達0.4 MPa，都能夠達到開啟壓力。

圖6 閥門開啟情況

圖7 閥門壓力變化過程

4 結論

通過以上對三個不同特性的點火器匹配注液激活系統的模擬計算可以分析得出以下結論：

1）激活系統中點火器1條件下閥門開啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側液閥-上部右側液閥-中部右側液閥-中部左側液閥-下部右側液閥-下部左側液閥-中部氣閥-下部氣閥。

2）激活系統中點火器2條件下閥門開啟的順序依次為：上部氣閥-上部左側液閥-上部右側液閥-中部右側液閥-中部左側液閥-中部氣閥-下部右側液閥-下部左側液閥-下部氣閥。

3）激活系統中點火器3條件下閥門開啟的順序與點火器2條件下的順序相同。

4）激活系統中第二工況下，閥門完全開啟所用時間最短，其次是第三工況，第一工況所用時間最長。三種方案開啟時間依次為11 ms、6.5 ms、6.8 ms。

[1] 呂恒俊, 趙徐成. 航空鋅銀蓄電池失效原因及延壽方法[J]. 電源技術應用, 2015, 18（10）: 13-16.

[2] 朱松然．蓄電池手冊[M]．天津：天津大學出版社, 1998: 322-326, 322-326．

[3] 汪繼強等譯．電池手冊[M]．北京: 化學工業出版社, 2007．

[4] 陳雷雨, 岳瑞華, 徐中英.飛行器電池激活后待機安全性與剩余電量研究[J]. 電源技術, 2016, 40（6）: 1223-1224.

[5] 劉彬, 張洗軍, 段志宇. 高功率鋅銀電池設計思路的探討[J]. 電池, 2011, 41 (3): 138-140.

Simulation of Zn-AgO Battery Inject Activation System

Peng Zheng, Yu Jiang Hong, Zhao Shu Li

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China)

TP391.42 TM912.3

A

1003-4862（2017）06-0056-03

2017-03-13

彭政（1983-），男，工程師。研究方向：化學電源。E-mail:13628662272@139.com