33239

شبيهسازي مقياس حفره جريان دوفاز در لايه نفوذ گاز پيل سوختي پليمري به روش شبكه بولتزمن

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1401

1403/12/7

مجيد سياوشي

مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

در سال‌هاي اخير، پيل‌هاي سوختي به دليل بازدهي بالا و عدم توليد آلاينده‌هاي زيست‌محيطي، به عنوان گزينه‌اي مناسب براي توليد انرژي مورد توجه قرار گرفته‌اند. با اين حال، بهره‌برداري از اين فناوري با چالش‌هايي همراه است. يكي از انواع پيل‌هاي سوختي، پيل سوختي پليمري است كه عمدتاً در صنعت حمل‌ونقل كاربرد دارد. مديريت آب يكي از چالش‌هاي اساسي در عملكرد اين نوع پيل‌ها محسوب مي‌شود. در اين زمينه، تجمع آب در خلل و فرج لايه نفوذ گاز كاتد، موجب كاهش انتقال اكسيژن به سطح لايه نفوذ گاز مي‌شود. آب‌دوستي و آب‌گريزي لايه نفوذ گاز نقش تعيين‌كننده‌اي در نحوه تشكيل قطرات در منافذ اين لايه دارد. همچنين ميزان تجمع آب، تحت تأثير اندازه و توزيع تخلخل در لايه نفوذ گاز قرار دارد. شبيه‌سازي فرآيند تشكيل قطره در لايه نفوذ گاز، نقش مهمي در بهبود عملكرد پيل سوختي ايفا مي‌كند. روش شبكه بولتزمن اخيراً براي شبيه‌سازي جريان‌هاي دوفازي در محيط‌هاي متخلخل، با رويكردي مبتني بر مقياس حفره، توسعه يافته است. بسياري از مدل‌هاي موجود در روش شبكه بولتزمن براي شبيه‌سازي جريان‌هاي دوفازي و چندفازي، به دليل ناپايداري عددي و ايجاد سرعت‌هاي مجازي در شرايطي كه نسبت چگالي و ويسكوزيته بالا باشد، قادر به ارائه نتايج دقيق نيستند. در اين پژوهش، يك مدل دوفازي سه‌بعدي بر پايه روش شبكه بولتزمن مبتني بر حجم سيال (LBM-VOF) توسعه داده شده است. براي انجام شبيه‌سازي‌ها، از كدهاي عددي در كتابخانه منبع‌باز (پالابوس)، كه يك حل‌كننده موازي براي روش شبكه بولتزمن است، استفاده گرديده است. در مرحله نخست، نتايج به‌دست‌آمده با داده‌هاي عددي و تجربي مقايسه شده و اعتبارسنجي گرديد. سپس مدل توسعه‌يافته LBM-VOF براي بررسي جريان دوفازي آب و گاز در لايه نفوذ گاز پيل سوختي تبادل‌كننده پروتون مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه، تأثير پارامترهايي نظير تخلخل و قطر فيبر در هندسه‌هاي متداول فيبري تحليل شده و به‌ترين هندسه پيشنهاد گرديد. همچنين اثر زاويه تماس و سرعت ورودي آب مورد بررسي قرار گرفت. علاوه بر اين، جايگزيني ساختارهاي منظم به‌جاي هندسه‌هاي متداول فيبري پيشنهاد شد، چراكه اين ساختارها ميزان اشباع آب و زمان خروج قطره را به‌طور قابل‌توجهي كاهش داده و در مقايسه با ساختارهاي فيبري مرسوم، عملكرد بهتري دارند.

1403/12/13

Simulation of the Two-Phase Flow in the Gas Diffusion Layer of a Polymer Fuel Cell Using the Lattice Boltzmann Method

2/25/2026 12:00:00 AM

In recent years, fuel cells have gained attention as a promising energy generation technology due to their high efficiency and zero environmental pollutant emissions. However, the implementation of this technology faces several challenges. One of the most prominent fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is primarily used in the transportation industry. Water management is a critical challenge in the operation of this type of fuel cell. In this regard, water accumulation in the pores of the cathode gas diffusion layer (GDL) hinders oxygen transport to the GDL. The hydrophilic and hydrophobic properties of the GDL significantly influence droplet formation within its pores. Additionally, the extent of water accumulation is affected by the pore size and distribution within the GDL. Simulating the droplet formation process in the GDL plays a crucial role in improving the performance of fuel cells. The Lattice Boltzmann Method (LBM) has recently been developed for simulating two-phase flows in porous media using a pore-scale approach. Many existing LBM models for two-phase and multiphase flow simulations suffer from numerical instability and artificial velocities, particularly when dealing with high density and viscosity ratios, leading to inaccurate results. In this study, a three-dimensional two-phase model based on the Lattice Boltzmann Method with the Volume of Fluid approach (LBM-VOF) is developed. The numerical simulations are conducted using open-source numerical codes from the Palabos library, which provides a parallel solver for LBM simulations. First, the obtained results are validated against numerical and experimental data. Then, the developed LBM-VOF model is employed to investigate two-phase flow of water and gas in the gas diffusion layer of PEMFCs. The effects of porosity and fiber diameter in conventional fibrous geometries are analyzed, and the optimal geometry is proposed. Additionally, the influence of contact angle and water inlet velocity is examined. Furthermore, replacing conventional fibrous geometries with regular structures is proposed, as these structures significantly reduce water removal time and exhibit better performance compared to conventional fibrous GDLs.

لتيس بولتزمن , مديريت آب , لايه نفوذ گاز , پيل سوختي , روش LBM-VOF

Lattice Boltzmann method , Water Management , Gas Diffusion Layer (GDL) , Fuel Cell (PEMFC) , LBM-VOF Method

Amir Nourmohammadi

Majid Siavashi