 |
الکترولیز اکسید جامد
معرفی
این مثال یک سلول الکترولیز اکسید جامد را مدلسازی می‌کند که در آن بخار آب برای تشکیل گاز هیدروژن در کاتد کاهش می‌یابد و گاز اکسیژن روی آند تکامل می‌یابد. توزیع جریان در سلول با انتقال جرم کاتدی هیدروژن و آب و انتقال تکانه همراه است.
تعریف مدل
روی آند، یون‌های اکسیژن اکسید می‌شوند تا گاز اکسیژن را تشکیل دهند.
(1)
در حالی که در کاتد، بخار آب برای تشکیل گاز هیدروژن و یون های اکسیژن کاهش می یابد:
(2)
شکل 1 هندسه مدل را نشان می دهد. از آنجایی که اکسیژن تنها گاز موجود در محفظه گاز آند است و شرایط ایزوباریک در نظر گرفته شده است، نیازی به مدل سازی صریح انتقال گاز آند نیست. بنابراین در مدل از چهار حوزه محاسباتی استفاده می‌شود: کانال‌های گاز کاتدی، الکترود انتشار گاز کاتدی، لایه الکترولیت اکسید جامد، و الکترود انتشار گاز آند.
شکل 1: هندسه مدل. از بالا: کانال های گاز کاتدی، الکترود انتشار گاز کاتدی، لایه الکترولیت اکسید جامد و لایه انتشار گاز آند. موقعیت ورودی و خروجی در شکل نشان داده شده است.
ترکیب مخلوط هیدروژن و بخار آب در نتیجه واکنش های الکتروشیمیایی تغییر خواهد کرد. انتقال جرم هیدروژن و بخار آب در کانال‌های گاز کاتد و الکترود انتشار گاز مدلسازی می‌شود که با جریان (آهنگ) حاصل از مخلوط گاز همراه است.
توزیع جریان با فرض هدایت ثابت الکترولیت جامد تعریف می شود. رابط الکترولیز آب برای تعریف واکنش های الکترود و انتقال بار الکترولیت در الکترودهای انتشار گاز متخلخل و لایه الکترولیت و همچنین انتقال جرم هیدروژن و آب استفاده می شود. جریان تکانه در مدل با استفاده از رابط جریان رسانه آزاد و متخلخل تعریف شده است. معادلات Brinkman برای الکترودهای انتشار گاز متخلخل و معادلات Navier-Stokes برای کانال های گاز غیر متخلخل استفاده می شود.
در سمت کاتد، سینتیک الکترود بر اساس قانون عمل جرم (و معادله نرنست) به غلظت محلی آب و هیدروژن بستگی دارد. در سمت آند، فشار جزئی یکنواخت اکسیژن در نظر گرفته شده است و از این رو یک بیان باتلر-ولمر مستقل از غلظت برای تعریف سینتیک الکترود استفاده می شود.
خواص مخلوط گاز کاتد، و همچنین پتانسیل های تعادل واکنش های الکترود به طور خودکار توسط گزینه های داخلی پیش فرض رابط الکترولیز آب تعریف می شود.
نتایج و بحث
شکل 2 توزیع بزرگی سرعت را در سلول نشان می دهد. بالاترین سرعت ها نزدیک به ورودی و خروجی قرار دارند.
شکل 2: سرعت در سلول.
شکل 3 نشان می دهد که چگونه چگالی و ویسکوزیته دینامیکی گاز به بخش های مولی هیدروژن و آب نشان داده شده در شکل 4 مربوط می شود . با افزایش محتوای هیدروژن گاز به سمت خروجی، چگالی و ویسکوزیته هر دو کاهش می یابد.
شکل 3: چگالی (چپ) و ویسکوزیته دینامیکی (راست).
شکل 4: کسر مولی هیدروژن (سمت چپ) و بخار آب (راست).
شکل 5 کسر مولی هیدروژن در مخلوط گاز و خطوط جریان هیدروژن مربوطه را نشان می دهد. کسر مولی در ورودی نزدیک به صفر و در خروجی تقریباً 100٪ است.
شکل 5: کسر مولی هیدروژن (برش) و شار (جریان).
در نهایت، شکل 6 چگالی جریان الکترولیت مقطعی را در وسط الکترولیت بین آند و کاتد نشان می دهد. چگالی جریان نزدیک به ورودی، جایی که نسبت آب به هیدروژن بالا است، بالاترین میزان است و به سمت خروجی کاهش می یابد.
شکل 6: چگالی جریان الکترولیت از طریق لایه الکترولیت.
مسیر کتابخانه برنامه: Fuel_Cell_and_Electrolyzer_Module/Electrolyzers/soec
دستورالعمل های مدل سازی
این آموزش توزیع جریان را در یک الکترولیز اکسید جامد مدل می کند. این آموزش شامل دو بخش اصلی است. ابتدا، یک توزیع جریان ثانویه (نه وابسته به غلظت) مدل شده است. در بخش دوم، انتقال جرم و تکانه برای مدلسازی توزیع جریان وابسته به غلظت سلول اضافه می‌شود، جایی که خواص مخلوط گاز آند به کسر مولی آب و هیدروژن بستگی دارد.
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، Electrochemistry>Water Electrolyzers>Solid Oxide (ما) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت Select Study ، Preset Studies for Selected Physics Interfaces>Stationary with Initialization را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
هندسه مدل به عنوان یک دنباله هندسی پارامتری در یک فایل MPH جداگانه در دسترس است. اگر می‌خواهید آن را از ابتدا بسازید، دستورالعمل‌های بخش پیوست – دستورالعمل‌های مدلسازی هندسه را دنبال کنید . در غیر این صورت با استفاده از مراحل زیر آن را از فایل بارگیری کنید.
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی Insert Sequence کلیک کنید و Insert Sequence را انتخاب کنید . |
2 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل soec_geom_sequence.mph دوبار کلیک کنید . |
3 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای هندسه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات پارامترها ، هندسه پارامترها را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
پارامترهای فیزیک
برخی از پارامترها با دنباله هندسه وارد شدند. برخی از پارامترهای فیزیکی اضافی را از یک فایل متنی وارد کنید.
1 | در نوار ابزار Home ، روی  پارامترها کلیک کنید و Add>Parameters را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، Physics Parameters را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Parameters را پیدا کنید .  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل soec_physics_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
الکترولیز آب (ما)
حال توزیع جریان را در الکترودهای انتشار گاز و الکترولیت تعریف کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Water Electrolyzer (we) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Water Electrolyzer ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه های 1-3 را انتخاب کنید. |
5 | بخش مخلوط گاز H2 را پیدا کنید . زیربخش مکانیزم های حمل و نقل را پیدا کنید . کادر بررسی شامل انتشار فاز گاز را پاک کنید . |
غشاء 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Membrane را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Fuel Cell and Electrolyzer>Solid Oxides>Yttria-Stabilized Zirconia, 8YSZ, (ZrO2)0.92-(Y2O3)0.08 را انتخاب کنید . |
4 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
الکترولیز آب (ما)
فاز 1 الکترولیت
در گره فاز الکترولیت ، هدایت الکترولیت تنظیم شده است که از گره مواد گرفته شود .
الکترود انتشار گاز H2 1
ویژگی های گره الکترود انتشار گاز H2 را تنظیم کنید . جزئیات سینتیک الکترود در گره فرزند تنظیم می شود. توجه داشته باشید که با استفاده از گزینه پیش فرض Built in ، پتانسیل تعادل مرجع به طور خودکار محاسبه می شود .
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و H2 Gas Diffusion Electrode را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترود انتشار گاز H2 ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، Cathode را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Electrode Charge Transport را پیدا کنید . در قسمت متن σ s ، sigmaeff_s را تایپ کنید . |
5 | بخش Effective Electrolyte Charge Transport را پیدا کنید . در قسمت متن ε l ، por_l را تایپ کنید . |
واکنش الکترود انتشار گاز H2 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی H2 Gas Diffusion Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود انتشار گاز H2 ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن i 0,ref ( T ) i0_H2 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Active Specific Surface Area را پیدا کنید . در قسمت متن a v ، S را تایپ کنید . |
الکترود انتشار گاز O2 1
به طور مشابه، ویژگی های گره الکترود انتشار گاز O2 را تنظیم کنید . جزئیات سینتیک الکترود در گره فرزند تنظیم می شود. توجه داشته باشید که با استفاده از گزینه پیش فرض Built in ، پتانسیل تعادل مرجع به طور خودکار محاسبه می شود .
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و O2 Gas Diffusion Electrode را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترود انتشار گاز O2 ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، آند را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Electrode Charge Transport را پیدا کنید . در قسمت متن σ s ، sigmaeff_s را تایپ کنید . |
5 | بخش Effective Electrolyte Charge Transport را پیدا کنید . در قسمت متن ε l ، por_l را تایپ کنید . |
واکنش الکترود انتشار گاز O2 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی O2 Gas Diffusion Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود انتشار گاز O2 ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن i 0,ref ( T ) i0_O2 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن α a ، 3.5 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Active Specific Surface Area را پیدا کنید . در قسمت متن a v ، S را تایپ کنید . |
فاز 1 هدایت الکترونیکی
در نهایت، شرایط مرزی را تنظیم کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Water Electrolyzer (ما) روی Electronic Conducting Phase 1 کلیک کنید . |
زمین برق 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Electric Ground را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای زمین الکتریکی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، کاتد جریان جمع کننده را انتخاب کنید . |
فاز 1 هدایت الکترونیکی
در پنجره Model Builder ، روی Electronic Conducting Phase 1 کلیک کنید .
جریان الکترود 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  ویژگی ها کلیک کنید و جریان الکترود را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان الکترود ، بخش جریان الکترود را پیدا کنید . |
3 | از لیست، میانگین چگالی جریان را انتخاب کنید . |
4 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، آند جریان جمع کننده را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Electrode Current را پیدا کنید . در قسمت i s,average text I_avg را تایپ کنید . |
تعاریف جهانی
ورودی های مدل پیش فرض
گره ورودی مدل پیش فرض می تواند برای تنظیم دما برای کل مدلاستفاده شوداین گره ممکن است توسط چندین گره فیزیک قابل دسترسی باشد.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions، روی Default Model Inputs کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی های مدل پیش فرض ، بخش Browse Model Inputs را پیدا کنید . |
3 | در درخت، General>Temperature (K) – minput.T را انتخاب کنید . |
4 | زیربخش عبارت برای انتخاب باقیمانده را پیدا کنید . در قسمت متن دما ، T را تایپ کنید . |
مش 1
تنظیمات فیزیک قسمت اول آموزش اکنون کامل شده است. یک مش تعریف شده توسط کاربر اضافه کنید.
سایز 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، کلیک کنید تا بخش پارامترهای اندازه عنصر گسترش یابد . |
3 | بخش اندازه عنصر را پیدا کنید . روی دکمه Custom کلیک کنید . |
4 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . |
5 | کادر انتخاب حداکثر اندازه عنصر را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، H_ch*0.8 را تایپ کنید . |
جارو 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Swept کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Swept ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 5-7 را انتخاب کنید. |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
لایه های مرزی 1
همچنین گره های مش لایه مرزی را در این مرحله اضافه کنید. اینها در واقع برای محاسبه اول مورد نیاز نیستند، اما دقت و همگرایی راه حل را برای بخش دوم آموزش بهبود می بخشند، زمانی که حمل و نقل انبوه و همرفت اضافه شده است.
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Boundary Layers کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لایه های مرزی ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 5-7 را انتخاب کنید. |
ویژگی های لایه مرزی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Boundary Layer Properties کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های لایه مرزی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، 21-23، 25، 28-30، 32، 35-37، 39 را در قسمت انتخاب متن وارد کنید. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های لایه مرزی ، قسمت لایه ها را پیدا کنید . |
7 | در قسمت متنی Number of layers عدد 2 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن Factor Stretching ، 1.3 را تایپ کنید . |
9 | از لیست مشخصات ضخامت ، اولین لایه را انتخاب کنید . |
10 | در قسمت متن Thickness ، H_ch/10 را تایپ کنید . |
11 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
چهار وجهی رایگان 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Free Tetrahedral کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Free Tetrahedral ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 4 و 8 را انتخاب کنید. |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
لایه های مرزی 2
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Mesh 1 روی Boundary Layers 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لایه های مرزی ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه های 4 و 8 را انتخاب کنید. |
ویژگی های لایه مرزی
1 | در پنجره Model Builder ، گره Boundary Layers 2 را گسترش دهید ، سپس روی Boundary Layer Properties کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های لایه مرزی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، 14-18، 24، 31، 38، 41، 43-45، 47، 49، 51، 52 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
لایه های مرزی 2
در پنجره Model Builder ، روی Boundary Layers 2 کلیک راست کرده و Build Selected را انتخاب کنید .
مثلثی رایگان 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Boundary کلیک کنید و Free Triangular را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Free Triangular ، بخش Boundary Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، کاتد جریان جمع کننده را انتخاب کنید . |
4 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
جارو 2
در نوار ابزار Mesh ، روی Swept کلیک کنید .
Swept کلیک کنید .توزیع 1
1 | روی Swept 2 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
5 | بخش توزیع را پیدا کنید . از لیست نوع توزیع ، از پیش تعریف شده را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن نسبت عنصر ، 2 را تایپ کنید . |
7 | تیک Reverse direction را انتخاب کنید . |
توزیع 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Swept 2 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
5 | بخش توزیع را پیدا کنید . در فیلد متنی Number of element ، 2 را تایپ کنید . |
توزیع 3
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Mesh 1>Swept 2 روی Distribution 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
5 | بخش توزیع را پیدا کنید . تیک Reverse direction را پاک کنید . |
6 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مشکل اکنون برای حل آماده است.
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
پتانسیل الکترود با توجه به زمین (ما)
1 | در نوار ابزار الکترود پتانسیل با توجه به زمین (ما) ، روی  Plot کلیک کنید . |
طرح بالقوه را بررسی کنید. طرح باید به صورت زیر باشد:
جزء 1 (COMP1)
اکنون با بخش دوم آموزش شروع کنید که یک رابط جریان آزاد و متخلخل رسانه ای را به سمت کاتد مدل اضافه می کند، انتشار فاز گاز هیدروژن را در رابط الکترولایزر آب فعال می کند و توزیع هیدروژن و بخار آب را به الکتروشیمی متصل می کند.
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، جریان سیال > رسانه متخلخل و جریان زیرسطحی > جریان رسانه آزاد و متخلخل (fp) را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component 1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
جریان رسانه آزاد و متخلخل (FP)
1 | فقط دامنه های 3-8 را انتخاب کنید. |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان رسانه آزاد و متخلخل ، قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Create Selection ، دامنه‌های Gas را در قسمت متن Selection name تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای جریان رسانه آزاد و متخلخل ، بخش Physical Model را پیدا کنید . |
7 | از لیست تراکم پذیری ، جریان تراکم پذیر (Ma<0.3) را انتخاب کنید . |
متخلخل متوسط 1
1 | روی Component 1 (comp1)>Free and Porous Media Flow (fp) کلیک راست کرده و Porous Medium را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای محیط متخلخل ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، Cathode را انتخاب کنید . |
ماتریس متخلخل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Matrix 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ماتریس متخلخل ، بخش ویژگی های ماتریس را پیدا کنید . |
3 | از لیست ε p ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، por را تایپ کنید . |
4 | از لیست κ ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، kappa را تایپ کنید . |
ورودی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، ورودی را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Boundary Condition را پیدا کنید . از لیست، جریان انبوه را انتخاب کنید . |
5 | بخش Mass Flow را پیدا کنید . در قسمت متن m ، Mflux_in را تایپ کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Outlet ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
4 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . چک باکس Normal flow را انتخاب کنید . |
چند فیزیک
جریان واکنش، فاز 1 گاز H2 (rfh1)
در نوار ابزار Physics ، روی Multiphysics Couplings کلیک کنید و Domain>Reacting Flow، H2 Gas Phase را انتخاب کنید .
Multiphysics Couplings کلیک کنید و Domain>Reacting Flow، H2 Gas Phase را انتخاب کنید .الکترولیز آب (ما)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Water Electrolyzer (we) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Water Electrolyzer ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | بخش مخلوط گاز H2 را پیدا کنید . زیربخش مکانیزم های حمل و نقل را پیدا کنید . چک باکس Include Gas Diffusion Diffusion را انتخاب کنید . |
کانال 1 جریان گاز H2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و کانال جریان گاز H2 را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای کانال جریان گاز H2 ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، دامنه های کانال را انتخاب کنید . |
الکترود انتشار گاز H2 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی H2 Gas Diffusion Electrode 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترود انتشار گاز H2 ، بخش حمل و نقل گاز را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن ε g ، por را تایپ کنید . |
فاز 1 H2 گازی
توجه داشته باشید که تنظیمات گره فاز گاز H2 یا گزینه پیش‌فرض هستند یا به‌طور خودکار توسط گره کوپلینگ multiphysics تنظیم می‌شوند. شرایط مرزی و مقادیر اولیه مورد نیاز را تنظیم کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، روی H2 Gas Phase 1 کلیک کنید . |
ورودی H2 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و H2 Inlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی H2 ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، ورودی را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Mixture Specification را پیدا کنید . از لیست، نرخ جریان جرمی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت نوشتاری J 0,H2O ، Mflux_in را تایپ کنید . |
فاز 1 H2 گازی
در پنجره Model Builder ، روی H2 Gas Phase 1 کلیک کنید .
خروجی H2 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و H2 Outlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خروجی H2 ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مقادیر اولیه ، قسمت ترکیب اولیه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن x 0,H2O ، 0.95*(1-x/(W_cell*stoich)) را تایپ کنید . |
مطالعه 1
مدل وابسته به غلظت اکنون برای حل آماده است. از دنباله ای از مراحل مطالعه استفاده کنید، ابتدا مقدار اولیه توزیع فعلی، سپس جریان و در نهایت مسئله کاملاً جفت شده را حل کنید. با حل تنها یک مجموعه از فیزیک در یک زمان در مراحل جداگانه، مقادیر اولیه مناسب به طور خودکار به مرحله مطالعه نهایی که در آن مشکل کامل حل می شود منتشر می شود.
مرحله 1: راه اندازی توزیع فعلی
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: راه‌اندازی توزیع فعلی کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای راه‌اندازی توزیع فعلی ، بخش انتخاب فیزیک و متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول، کادر حل برای واکنش جریان، فاز 1 گاز H2 (rfh1) را پاک کنید . |
مرحله 2: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، روی Step 2: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | در جدول، کادر حل برای Water Electrolyzer (we) را پاک کنید . |
4 | در جدول، کادر حل برای واکنش جریان، فاز 1 گاز H2 (rfh1) را پاک کنید . |
ثابت 2
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
دنباله مطالعه قدیمی را حذف کنید و یک دنباله جدید ایجاد کنید.
تنظیمات حل کننده
در پنجره Model Builder ، در قسمت Study 1 روی Solver Configurations کلیک راست کرده و Delete Configurations را انتخاب کنید .
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید . |
3 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 3 را گسترش دهید . |
4 | روی Stationary Solver 3 کلیک راست کرده و Fully Coupled را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
مشکل باید در حدود دو دقیقه حل شود.
نتایج
پس پردازش محلول را با بازرسی و صیقل دادن نمودار پیش فرض برای میدان سرعت شروع کنید.
تکه
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Velocity (fp) را گسترش دهید ، سپس بر روی Slice کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Slice ، بخش Plane Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید . |
4 | از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن مختصات z ، H_cell-H_ch/2 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار Velocity (fp) ، روی  Plot کلیک کنید . |
ساده 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Velocity (fp) کلیک راست کرده و Streamline را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Streamline ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Free and Porous Media Flow>Velocity and Press>u,v,w – فیلد Velocity را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Selection را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Point style را پیدا کنید . از لیست نوع ، پیکان را انتخاب کنید . |
5 | از فهرست توزیع پیکان ، زمان معکوس برابر را انتخاب کنید . |
6 | از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Velocity (fp) ، روی  Plot کلیک کنید . |
تراکم
چگالی مخلوط گاز با جایگزینی آب با هیدروژن در جریان گاز تغییر خواهد کرد. چگالی را به صورت زیر ترسیم کنید:
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، Density را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
سطح 1
1 | روی Density کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Free and Porous Media Flow>Material properties>fp.rho – Density – kg/m³ را انتخاب کنید . |
3 | در نوار ابزار تراکم ، روی  Plot کلیک کنید . |
ویسکوزیته
همچنین ویسکوزیته در جریان گاز تغییر خواهد کرد.
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، ویسکوزیته را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
سطح 1
1 | روی Viscosity کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Free and Porous Media Flow>Material properties>fp.mu – Dynamic viscosity – Pa·s را انتخاب کنید . |
3 | در نوار ابزار ویسکوزیته ، روی  Plot کلیک کنید . |
کسر مول، H2، سطح (ما)
نمودارهای پیش‌فرض برای بخش‌های مولی هیدروژن و آب ایجاد می‌شوند.
کسر مول، H2O، سطح (ما)
کسر مولی و شار، H2
یک نمودار برای کسر مولی هیدروژن و شار به صورت زیر ایجاد کنید:
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، در قسمت نوشتار برچسب ، H2 را تایپ کنید Molar Fraction and Flux . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
ساده 1
1 | روی Molar Fraction and Flux، H2 کلیک راست کرده و Streamline را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Streamline ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Water Electrolyzer>Species H2>we.tfluxH2x,…,we.tfluxH2z – Total flux را انتخاب کنید . |
3 | بخش Streamline Positioning را پیدا کنید . در قسمت متن شماره ، 30 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Selection را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Point style را پیدا کنید . از لیست نوع ، پیکان را انتخاب کنید . |
6 | از فهرست توزیع پیکان ، زمان معکوس برابر را انتخاب کنید . |
7 | از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
انتخاب 1
1 | روی Streamline 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، دامنه های کانال را انتخاب کنید . |
جلد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Molar Fraction and Flux، H2 کلیک راست کرده و Volume را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Water Electrolyzer>Species H2>we.xH2 – Mole fraction را انتخاب کنید . |
انتخاب 1
1 | روی جلد 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، Cathode را انتخاب کنید . |
4 |  روی دکمه Show Grid در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Molar Fraction and Flux، H2 ، روی  Plot کلیک کنید . |
چگالی جریان الکترولیت مقطعی
در نهایت، توزیع جریان در سراسر لایه الکترولیت را به صورت زیر رسم کنید:
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، چگالی جریان الکترولیت مقطعی را در قسمت نوشتاری برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
برش 1
1 | روی Cross-Sectional Electrolyte Current Density کلیک راست کرده و Slice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Slice ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Water Electrolyzer>Electrolyte Density Vector – A/m²>we.Ilz – بردار چگالی جریان الکترولیت ، z-component را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Plane Data را پیدا کنید . از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید . |
4 | از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن مختصات z ، H_gde+H_el/2 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار چگالی جریان الکترولیت مقطعی ، روی  Plot کلیک کنید . |
ضمیمه – دستورالعمل مدلسازی هندسه
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای هندسه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات پارامترها ، هندسه پارامترها را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Parameters را پیدا کنید .  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل soec_geom_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
هندسه 1
آند
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، آند را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Size and Shape را پیدا کنید . در قسمت متن Width W_cell را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text D_cell را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، H_gde را تایپ کنید . |
6 | قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
الکترولیت
1 | روی Anode کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، Electrolyte را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، H_gde را تایپ کنید . |
کاتد
1 | روی Electrolyte کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، Cathode را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، H_gde+H_el را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی صفحه  کار کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای صفحه کار ، قسمت تعریف هواپیما را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن مختصات z ، H_cell-H_ch را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)> هندسه صفحه
در پنجره Model Builder ، روی صفحه هندسه کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، W_ch را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، N_ch*(W_ch+W_rib) را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، W_rib/2 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن yw ، W_rib/2 را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 2 (r2)
1 | روی Component 1 (comp1)>Geometry 1>Work Plane 1 (wp1)>Plane Geometry>Rectangle 1 (r1) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Position را پیدا کنید . |
3 | در قسمت نوشتار xw ، W_rib/2+L_ch+W_ch را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن yw ، -W_rib/2 را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 3 (r3)
1 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، L_ch را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، W_ch را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، W_rib/2+W_ch را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن yw ، W_rib/2 را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)> آرایه 1 (arr1)
1 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Transforms کلیک کنید و Array را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی r3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات آرایه ، بخش Size را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن اندازه yw ، N_ch را تایپ کنید . |
5 | قسمت Displacement را پیدا کنید . در قسمت متن yw ، W_ch+W_rib را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Build All کلیک کنید . |
دامنه های کانال
1 | در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Extrude را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Extrude ، Channel Domains را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | بخش فاصله ها را بیابید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
فواصل (متر) |
H_ch |
4 | قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
فرم اتحادیه (فین)
در پنجره Model Builder ، روی Form Union (fin) کلیک راست کرده و Build Selected را انتخاب کنید .
ورودی
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Selections کلیک کنید و Explicit Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب صریح ، ورودی را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Entities to Select را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | در باله شی ، فقط مرز 19 را انتخاب کنید. |
پریز
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Selections کلیک کنید و Explicit Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب صریح ، Outlet را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Entities to Select را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | در باله شی ، فقط مرز 42 را انتخاب کنید. |
کلکتور جریان کاتدی
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Selections کلیک کنید و Explicit Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب صریح ، جمع‌آوری جریان کاتد را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Entities to Select را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | در باله شی ، فقط مرزهای 10، 26، 33 و 40 را انتخاب کنید. |
جمع کننده جریان آند
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Selections کلیک کنید و Explicit Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب صریح ، Anode Current Collector را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Entities to Select را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | در باله شی ، فقط مرز 3 را انتخاب کنید. |
