FLUENT單電池放電過程模擬

2017-08-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

本案例演示鋰離子電池放電問題的模擬過程。案例模型如下圖所示。

案例中,選后采用NTGK、ECM和Newman三種電化學(xué)模型對同一電池幾何模型進(jìn)行計(jì)算分析。

FLUENT電池模擬特點(diǎn):

• MSMD(Multi-Scale Multi-Dimension)電池模型可以自動探測電池的連接模式

• 完全耦合流體、熱和電化學(xué)

• 穩(wěn)健的計(jì)算過程(速度,穩(wěn)定性)

• 三種不同的電化學(xué)模型,既有基于經(jīng)驗(yàn)公式又有基于物理模型

• 不同的操作條件

• 指定電壓、電流、充電速率,或功率

• 動態(tài)電流曲線,電池充電/放電

• 可以輸入I、V和P的曲線

• 各向異性材料性質(zhì)

• 為用戶提供定制工具來實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)模型相關(guān)功能

• 詳細(xì)的后處理

1、啟動FLUENT并導(dǎo)入網(wǎng)格

(1)在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行“開始”→“所有程序”→ANSYS 18.1→Fluid Dynamics→FLUENT 18.1命令,啟動FLUENT 18.1。

(2)在FLUENT Launcher界面中的Dimension中選擇3D,在Display Options中勾選Display Mesh After Reading,Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme,單擊OK按鈕進(jìn)入FLUENT主界面。

(3)在FLUENT主界面中,單擊主菜單中File→Read→Mesh按鈕,彈出Select File(導(dǎo)入網(wǎng)格)對話框,選擇文件名為unit_battery.msh的網(wǎng)格文件,單擊OK按鈕便可導(dǎo)入網(wǎng)格。

(4)導(dǎo)入網(wǎng)格后,在圖形顯示區(qū)將顯示幾何模型。

(5)單擊主菜單中Mesh→Check按鈕,檢查網(wǎng)格質(zhì)量,確保不存在負(fù)體積。

(6)單擊主菜單中File→Write→Case按鈕,彈出Select File(保存項(xiàng)目)對話框,在Case File中填入battery,單擊OK按鈕便可保存項(xiàng)目。

2、調(diào)入MSMD電池模型

(1)在文本信息區(qū),依次輸入以下指令

> define

/define> models

/define/models> addon-module

Fluent Addon Modules:

0. None

1. MHD Model

2. Fiber Model

3. Fuel Cell and Electrolysis Model

4. SOFC Model with Unresolved Electrolyte

5. Population Balance Model

6. Adjoint Solver

7. Single-Potential Battery Model

8. Dual-Potential MSMD Battery Model

9. PEM Fuel Cell Model

10. Macroscopic Particle Model

Enter Module Number: [0] 8

(2)輸入8,選擇導(dǎo)入MSMD電池模型。一旦MSMD電池模型被加載,MSMD電池模型將出現(xiàn)在模型樹中。

3、定義求解器

(1)單擊主菜單中Define→General按鈕,彈出General(總體模型設(shè)定)面板。在Solver中,Time類型選擇Transient。

(2)在模型設(shè)定面板雙擊Energy按鈕,彈出Energy(能量模型)對話框,勾選Energy Equation激活能量方程,單擊OK按鈕確認(rèn)。

(3)在模型設(shè)定面板雙擊MSMD Battery Model按鈕,彈出MSMD Battery Model(MSMD電池模型)對話框,勾選Enable the battery model激活MSMD電池模型。

(4)在Conductive Zones選項(xiàng)卡中,按照下圖進(jìn)行選擇。注意:對于這種單電池的情況,沒有母線區(qū),因此不需要特別設(shè)定。

(5)在Electric Contacts選項(xiàng)卡中,按照下圖進(jìn)行選擇。

(6)在Electric Contacts選項(xiàng)卡中,點(diǎn)擊Print Battery System Connection Information按鈕,將在文本信息框中顯示如下信息。確認(rèn)后,點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉MSMD電池模型對話框。

4、設(shè)置材料

(1)單擊主菜單中Define→Materials按鈕,彈出Materials(材料)面板。在材料面板中,點(diǎn)擊Create/Edit按鈕便可彈出Create/Edit Materials(物性參數(shù)設(shè)定)對話框。

(2)在物性參數(shù)設(shè)定對話框中,按照以下參數(shù)設(shè)定新物質(zhì)e_material。

a.Material Type選擇solid

b.Name中輸入e_material,Chemical Formula中輸入e

c.Density中輸入2092

d.CP (Specific Heat)中輸入678

e.Thermal Conductivity中輸入18.2

f.UDS Diffusivity選擇define-per-uds,在彈出的UDS Diffusivity Coefficients對話框中,設(shè)定uds-0的Coefficient為1.19e6,uds-1的Coefficient為9.83e5

(3)點(diǎn)擊Change/Create按鈕完成新物質(zhì)的設(shè)定。

(4)單擊FLUENT Database按鈕,彈出所示FLUENT Database Materials(材料數(shù)據(jù)庫)對話框。在Material Type中選擇solid,在FLUENT Solid Materials中選擇copper,單擊Copy按鈕確認(rèn),單擊Close按鈕退出。

(5)在物性參數(shù)設(shè)定對話框中,按照以下參數(shù)修改copper設(shè)定新物質(zhì)p_material。

a.Material Type選擇solid

b.Name中輸入p_material,Chemical Formula中輸入pmat

c.UDS Diffusivity選擇user-defined,在彈出的User-Defined Functions對話框中,選擇battery_e_cond::msmdbatt,點(diǎn)擊OK按鈕確認(rèn)。

d.Electrical Conductivity中輸入1.0e7,點(diǎn)擊Change/Create按鈕完成新物質(zhì)的設(shè)定。

(6)在物性參數(shù)設(shè)定對話框中,按照以下參數(shù)設(shè)定新物質(zhì)n_material。

a.Material Type選擇solid

b.Name中輸入n_material,Chemical Formula中輸入nmat

點(diǎn)擊Change/Create按鈕,在彈出的Question對話框中,單擊No按鈕創(chuàng)建新物質(zhì)。

5、設(shè)置計(jì)算域

(1)單擊主菜單中Define→Cell Zone Conditions按鈕啟動Cell Zone Condition(區(qū)域條件)面板。

對應(yīng)e_zone、tab_pzone和tab_nzone在Material Name中選擇相應(yīng)的e_material、p_material和n_material。

6、邊界條件

(1)單擊主菜單中Define→Boundary Conditions按鈕啟動的邊界條件面板。

(2)在邊界條件面板中,雙擊wall_active彈出邊界條件設(shè)置對話框。

在Thermal選項(xiàng)卡中,Thermal Conditions選擇Convention,在Heat Transfer Coefficient中輸入5,單擊OK按鈕確認(rèn)退出。

(3)在邊界條件面板中,單擊Copy按鈕彈出Copy Conditions(邊界條件復(fù)制)對話框。

在From Boundary Zone中選擇wall_active,在To Boundary Zone中選擇wall_p和 wall_n,單擊Copy按鈕完成復(fù)制。

7、求解控制

(1)單擊主菜單中Solve→Methods按鈕,彈出Solution Methods(求解方法設(shè)置)面板。

(2)單擊Equations按鈕,彈出Equations(方程)對話框,取消選擇Flow,單擊OK按鈕確認(rèn)。

(3)單擊主菜單中Solve→Monitors按鈕,彈出Monitors(監(jiān)視)面板,雙擊Residuals-Print, Plot便彈出Residual Monitors(殘差監(jiān)視)對話框,在Convergence Criterion中選擇none。

(4)在Surface Monitors下單擊Create按鈕彈出Surface Monitor(表面監(jiān)視)對話框。

勾選Plot,在Report Type 中選擇Area-Weighted Average,在Field Variable中選擇User Defined Scalars和Potential Phi+,在Surface中選擇tab_p,單擊OK按鈕確認(rèn)。

(5)在Volume Monitors下單擊Create按鈕彈出Volume Monitor(體積監(jiān)視)對話框。

勾選Plot,在Report Type 中選擇max,在Field Variable中選擇Temperature和Static Temperature,在Cell Zones中選擇全部,單擊OK按鈕確認(rèn)。

8、初始條件

單擊主菜單中Solve→Initialization按鈕,彈出Solution Initialization(初始化設(shè)置)面板。

Initialization Methods中選擇Standard Initialization,單擊Initialize按鈕進(jìn)行初始化。

9、計(jì)算求解

單擊主菜單中Solve→Run Calculation按鈕,彈出Run Calculation(運(yùn)行計(jì)算)面板。

在Time Step Size中輸入30,No. of Time Steps中輸入100,單擊Calculate開始計(jì)算。

10、結(jié)果后處理

(1)在Graphics下雙擊Contous彈出Contous(等值線)對話框。

Contous of選擇User Defined Scalars和Potential Phi+,在surfaces中選擇tab_p,wall_active和wall_p,單擊Display按鈕,顯示云圖。

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