加速度對(duì)雙極性鋅銀電池激活時(shí)刻電解液灌注的影響*

尹立兵 趙樺糧 楊 華 姜攀星 袁 沖 詹志剛

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所1) 武漢 430064) (武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2) 武漢 430063)(武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 武漢 430070)

0 引 言

雙極性鋅銀電池電堆是以若干片雙極性電極和正、負(fù)單極片各一片疊合組裝而成的電池組[1].它是一種一次電池，在貯存期間電解液和電極分開(kāi)，不直接接觸.在使用時(shí)，通過(guò)一定壓力將電解液注入電池當(dāng)中，激活電池.雙極性鋅銀電池具有鋅銀電池放電電壓平穩(wěn)、電壓精度高、安全可靠等特點(diǎn).特別適合運(yùn)用于航空領(lǐng)域及水下裝備[2].

當(dāng)雙極性鋅銀電池當(dāng)作航天電源或用在水下裝置時(shí)，裝置的啟動(dòng)會(huì)帶來(lái)劇烈的加速度變化，這將嚴(yán)重影響電解液的灌注過(guò)程及電池內(nèi)部電解液的分配情況.雙極性鋅銀貯備電池在激活過(guò)程時(shí)出現(xiàn)電解液在電堆內(nèi)分布不均勻的現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高，低溫脈沖負(fù)載能力不足[3]，嚴(yán)重影響電池的性能.為了探究加速度的大小和方向?qū)﹄p極性鋅銀電池電解液注入的影響，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法來(lái)進(jìn)行分析求解.

目前類(lèi)似于液體灌注過(guò)程的模擬多采用VOF模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算.童亮等[4]運(yùn)用VOF模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)分析了氣、液兩相的流動(dòng)過(guò)程，分析出了在流動(dòng)過(guò)程中氣、液兩相體積分?jǐn)?shù)和壓力分布.白潤(rùn)英等[5]通過(guò)VOF模型和湍流模型對(duì)市政供水管道中水的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，分析了氣、液兩相的流速和壓力分布，總結(jié)了爆管發(fā)生的原因.因此在本文的電解液灌注過(guò)程模擬中，采用VOF模型可以很準(zhǔn)確分析出電池中電解液的分布以及電池內(nèi)部氣、液兩相的壓力、速度變化情況.

1 單電池建模

1.1 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)雙極性鋅銀電池激活時(shí)，電解液從進(jìn)口經(jīng)過(guò)進(jìn)口總管被推入到單電池中，然后電解液將單電池中的空氣排出，最終從出口管道流出.電解液在單電池中的流動(dòng)為一個(gè)兩相流的問(wèn)題，采用VOF模型則能很好的監(jiān)測(cè)氣液兩相界面，模擬流動(dòng)過(guò)程.

在灌注過(guò)程中，將電解液和空氣都視為理想流體，不考慮溫度的影響，也不考慮能量的變化，因此該模型只涉及到質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、物性方程，具體方程為

質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)

式中：ρq為q物質(zhì)的密度；αq為q物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；v為流體速度；S為質(zhì)量源項(xiàng).

動(dòng)量守恒方程：

(3)

式中：μ為黏度；g為重力加速；ρ為密度.

方程右邊是導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)量變化的原因：第一項(xiàng)為壓力的影響，第二項(xiàng)為流體粘度的影響，第三項(xiàng)和第四項(xiàng)為重力和外部體積力的影響，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，重力也是一種外部體積力.有限元分析軟件中，系統(tǒng)加速度的變化在動(dòng)量守恒方程里可以等效成系統(tǒng)的重力加速度g的變化.

加速度的變化，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的速度大小和方向產(chǎn)生巨大影響.特別是在兩相流的系統(tǒng)中，由于其流體本身一直處于流動(dòng)狀態(tài)，流體的速度和兩相流的界面都將隨著加速度的變化而發(fā)生劇烈變化.那么在整個(gè)電解液灌注過(guò)程中，加速度的變化將會(huì)一直影響著電解液的分布.

長(zhǎng)春市作為吉林省的省會(huì)城市在長(zhǎng)吉圖戰(zhàn)略發(fā)展中處于核心地位。近幾年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長(zhǎng)春市對(duì)外交往更加頻繁，與外國(guó)經(jīng)貿(mào)往來(lái)增多 ，外國(guó)游客也日益增加，越來(lái)越多的外國(guó)朋友選擇來(lái)到長(zhǎng)春學(xué)習(xí)、工作、生活。在這種大環(huán)境下，長(zhǎng)春市整體的對(duì)外形象和優(yōu)良規(guī)范的語(yǔ)言環(huán)境對(duì)于促進(jìn)長(zhǎng)春市的發(fā)展是有著重大意義的。

物性方程：

ρ=α2ρ2+(1-α2)ρ1

(4)

ρ=∑αqρq

(5)

基于上述理論，利用流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，進(jìn)行本項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)模擬研究.

1.2 幾何模型及邊界條件

圖1為單電池的流體模型，它由四個(gè)部分組成：進(jìn)口流道、電解液分配區(qū)域、電池內(nèi)部區(qū)域、出口流道.在模型中，電池內(nèi)部區(qū)域的厚度為0.3 mm，其他三個(gè)部分的厚度為0.5 mm.在電池內(nèi)部均布直徑為2 mm、高0.3 mm的支撐柱，起到支撐和分隔正負(fù)極的作用.

圖1 單電池模型

根據(jù)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，設(shè)置邊界條件及物性參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 邊界條件及物性參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 加速度大小對(duì)單電池電解液注入過(guò)程的影響

本文的算例加速度方向都是豎直向上，即圖中坐標(biāo)系中Y軸的正方向.分別選取了3個(gè)加速度(大小分別為0,1,30g)算例進(jìn)行對(duì)比研究，其中：0g算例模擬電池在無(wú)重力影響時(shí)電解液注入過(guò)程；1g的算例模擬電池只受重力影響時(shí)電解液注入過(guò)程；30g的算例模擬電池在啟動(dòng)過(guò)程中電解液注入過(guò)程，見(jiàn)圖2.

圖2 三個(gè)算例在4 s(左邊)和7.6 s(右邊)時(shí)電解液分配情況

0,1,30g電解液從出口流道溢出時(shí)間分別為6.91,6.85和6.88 s.在加速度方向豎直向上時(shí)，加速度大小的變化不會(huì)改變電池內(nèi)部電解液灌滿(mǎn)的時(shí)間，這是由于在此結(jié)構(gòu)下，電池各部分流體流動(dòng)的橫截面積變化遵循小到大的過(guò)程，在1m/s的流速下將很均勻的充滿(mǎn)電池，這有利于電解液的均勻分布.

電池內(nèi)部支撐柱對(duì)電解液的灌注及阻力沒(méi)有大的影響，產(chǎn)生的氣泡量也可以忽略，這是由于其尺寸較小，而且電解液在電池內(nèi)部的流速較小.

由圖2左邊4 s時(shí)三個(gè)例子的液相分布圖可知，隨著電池加速度的增加，氣液兩項(xiàng)的交界面更趨近于水平，即與加速度方向垂直的方向，同時(shí)交界面也更分明，界面上氣泡也越少.由圖2右邊7.6 s時(shí)3個(gè)例子的液相分布圖可知，電解液灌滿(mǎn)后，所有電池內(nèi)部上方均有少量殘余氣泡，并且無(wú)法自動(dòng)消除.電池內(nèi)部氣泡的產(chǎn)生將影響到電池的有效反應(yīng)面積，最終會(huì)影響到電池的電性能，所以電池內(nèi)部的氣泡越少越好.結(jié)果表明，隨著加速度大小的增加，產(chǎn)生的氣泡減少.所以在加速度豎直向上時(shí)，加速度越大，電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡越少，有利于提高電池的電性能.

隨著電解液灌注，單電池的壓力也隨之變化(本文中討論的都為相對(duì)壓力).在1 m/s的進(jìn)口速度下，進(jìn)口壓力最多達(dá)到2.23×105Pa，這種壓力在工程上很容易達(dá)到.單電池進(jìn)口處的壓力一直是最大的，并且在電解液充滿(mǎn)整個(gè)單電池時(shí)壓力達(dá)到最大值.0,1,30g電解液灌滿(mǎn)后進(jìn)口處的壓力分別為2.22×105，2.22×105，2.23×105Pa，加速度大小對(duì)單體電池的最大壓力影響不大；分析整個(gè)壓力變化的動(dòng)畫(huà)可知，加速度大小對(duì)整體的壓力分布規(guī)律也影響不大.

圖3為1 g算例中不同時(shí)刻的壓力分布圖.圖3中選取了五個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)：0.28 s時(shí)，電解液只是在進(jìn)口流道中流動(dòng)；1.6和6.8 s時(shí)，電解液在電池內(nèi)部流動(dòng)；7和7.4 s時(shí)，電解液已經(jīng)進(jìn)入到了出口流道.分析可知，在電池內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，整體的壓力變化不大，1.6～6.8 s整體的壓力變化很小，直到進(jìn)入到出口流道，壓力才開(kāi)始大幅度變化.這說(shuō)明了大部分的流阻主要存在于進(jìn)口流道和出口流道，而流阻是形成電解液分配不均的主要原因.

圖3 1 g算例中不同時(shí)刻電池內(nèi)部位置的相對(duì)壓力圖

2.2 加速度方向?qū)坞姵仉娊庖鹤⑷脒^(guò)程的影響

為研究加速度方向?qū)坞姵仉娊庖鹤⑷脒^(guò)程的影響，選取了二個(gè)加速度方向進(jìn)行對(duì)比分析.算例2-1加速度方向?yàn)閅=30g,X=30g；算例2-2加速度方向?yàn)閅=30g,X=-30g.兩種方向在5.6 s的電解液分配情況見(jiàn)圖4.

圖4 兩種方向在5.6 s的電解液分配情況

由圖4可知，當(dāng)加速度方向?yàn)橛疑戏綍r(shí)(為了分析方便，將X軸的正、負(fù)向定義為右、左，Y軸的正、負(fù)向定義為上、下)，電池內(nèi)部電解液將不可能灌滿(mǎn).僅在垂直向上的加速度，以及垂直向上和向左的加速度作用下，可以將電池內(nèi)部灌滿(mǎn)電解液.根據(jù)此結(jié)果，以及相關(guān)流體力學(xué)推斷：只有加速度方向的X軸分量為負(fù)時(shí)，才有可能使電解液灌滿(mǎn)電池；其它方向的加速度都會(huì)導(dǎo)致電解液提前從出口流道溢出,因此，此種結(jié)構(gòu)的單電池只能在一定的加速度下達(dá)到最佳工作狀態(tài).若在其它不理想的下條件工作，電池中空氣量過(guò)多，電池內(nèi)阻將會(huì)升高，將會(huì)影響電池的電性能.

為解決加速度方向?qū)е碌膯?wèn)題，首先綜合考慮電池加速度的實(shí)際工況，優(yōu)化電池在裝置中的空間結(jié)構(gòu)布局.其次可以通過(guò)優(yōu)化電池的幾何結(jié)構(gòu)，使其可滿(mǎn)足各個(gè)方向加速度的要求.

3 結(jié) 論

裝置加速度的大小和方向?qū)﹄姵仉娊庖汗嘧⑦^(guò)程有著很重要的影響.

1) 當(dāng)裝置加速度方向豎直向上時(shí)，加速度的大小會(huì)影響氣液交界面的形態(tài)，加速度越大氣液交界面越分明.并且在灌滿(mǎn)以后，加速度越大，其電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡也越少.

2) 當(dāng)裝置加速度方向豎直向上時(shí)，加速度大小的變化對(duì)進(jìn)口最大壓力值的影響很小，對(duì)整體壓力分布影響也較小，其中流體的壓降主要存在于進(jìn)口流道和出口流道.

3) 當(dāng)裝置加速度方向變化時(shí)，只有部分方向可以使電池內(nèi)部灌滿(mǎn)電解液，可根據(jù)裝置實(shí)際工況優(yōu)化電池的空間結(jié)構(gòu)布局，使其滿(mǎn)足使用要求.