尹立兵 赵桦粮 杨 华 姜攀星 袁 冲 詹志刚

(武汉船用电力推进装置研究所1) 武汉 430064) (武汉理工大学能源与动力工程学院2) 武汉 430063)(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室3) 武汉 430070)

0 引 言

双极性锌银电池电堆是以若干片双极性电极和正、负单极片各一片叠合组装而成的电池组[1].它是一种一次电池，在贮存期间电解液和电极分开，不直接接触.在使用时，通过一定压力将电解液注入电池当中，激活电池.双极性锌银电池具有锌银电池放电电压平稳、电压精度高、安全可靠等特点.特别适合运用于航空领域及水下装备[2].

当双极性锌银电池当作航天电源或用在水下装置时，装置的启动会带来剧烈的加速度变化，这将严重影响电解液的灌注过程及电池内部电解液的分配情况.双极性锌银贮备电池在激活过程时出现电解液在电堆内分布不均匀的现象，将会导致电池内阻升高，低温脉冲负载能力不足[3]，严重影响电池的性能.为了探究加速度的大小和方向对双极性锌银电池电解液注入的影响，采用计算机模拟仿真的方法来进行分析求解.

目前类似于液体灌注过程的模拟多采用VOF模型来进行计算.童亮等[4]运用VOF模型和动网格技术分析了气、液两相的流动过程，分析出了在流动过程中气、液两相体积分数和压力分布.白润英等[5]通过VOF模型和湍流模型对市政供水管道中水的流动进行了模拟，分析了气、液两相的流速和压力分布，总结了爆管发生的原因.因此在本文的电解液灌注过程模拟中，采用VOF模型可以很准确分析出电池中电解液的分布以及电池内部气、液两相的压力、速度变化情况.

1 单电池建模

1.1 数学模型

当双极性锌银电池激活时，电解液从进口经过进口总管被推入到单电池中，然后电解液将单电池中的空气排出，最终从出口管道流出.电解液在单电池中的流动为一个两相流的问题，采用VOF模型则能很好的监测气液两相界面，模拟流动过程.

在灌注过程中，将电解液和空气都视为理想流体，不考虑温度的影响，也不考虑能量的变化，因此该模型只涉及到质量方程、动量方程、物性方程，具体方程为

质量守恒方程：

(1)

(2)

式中：ρq为q物质的密度；αq为q物质的质量分数；v为流体速度；S为质量源项.

动量守恒方程：

(3)

式中：μ为黏度；g为重力加速；ρ为密度.

方程右边是导致系统动量变化的原因：第一项为压力的影响，第二项为流体粘度的影响，第三项和第四项为重力和外部体积力的影响，对系统来说，重力也是一种外部体积力.有限元分析软件中，系统加速度的变化在动量守恒方程里可以等效成系统的重力加速度g的变化.

加速度的变化，将会对整个系统的速度大小和方向产生巨大影响.特别是在两相流的系统中，由于其流体本身一直处于流动状态，流体的速度和两相流的界面都将随着加速度的变化而发生剧烈变化.那么在整个电解液灌注过程中，加速度的变化将会一直影响着电解液的分布.

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物性方程：

ρ=α2ρ2+(1-α2)ρ1

(4)

ρ=∑αqρq

(5)

基于上述理论，利用流体动力学软件Fluent，进行本项目的计算机模拟研究.

1.2 几何模型及边界条件

图1为单电池的流体模型，它由四个部分组成：进口流道、电解液分配区域、电池内部区域、出口流道.在模型中，电池内部区域的厚度为0.3 mm，其他三个部分的厚度为0.5 mm.在电池内部均布直径为2 mm、高0.3 mm的支撑柱，起到支撑和分隔正负极的作用.

图1 单电池模型

根据实际的测试结果，设置边界条件及物性参数见表1.

表1 边界条件及物性参数

2 结果与讨论

2.1 加速度大小对单电池电解液注入过程的影响

本文的算例加速度方向都是竖直向上，即图中坐标系中Y轴的正方向.分别选取了3个加速度(大小分别为0,1,30g)算例进行对比研究，其中：0g算例模拟电池在无重力影响时电解液注入过程；1g的算例模拟电池只受重力影响时电解液注入过程；30g的算例模拟电池在启动过程中电解液注入过程，见图2.

图2 三个算例在4 s(左边)和7.6 s(右边)时电解液分配情况

0,1,30g电解液从出口流道溢出时间分别为6.91,6.85和6.88 s.在加速度方向竖直向上时，加速度大小的变化不会改变电池内部电解液灌满的时间，这是由于在此结构下，电池各部分流体流动的横截面积变化遵循小到大的过程，在1m/s的流速下将很均匀的充满电池，这有利于电解液的均匀分布.

电池内部支撑柱对电解液的灌注及阻力没有大的影响，产生的气泡量也可以忽略，这是由于其尺寸较小，而且电解液在电池内部的流速较小.

由图2左边4 s时三个例子的液相分布图可知，随着电池加速度的增加，气液两项的交界面更趋近于水平，即与加速度方向垂直的方向，同时交界面也更分明，界面上气泡也越少.由图2右边7.6 s时3个例子的液相分布图可知，电解液灌满后，所有电池内部上方均有少量残余气泡，并且无法自动消除.电池内部气泡的产生将影响到电池的有效反应面积，最终会影响到电池的电性能，所以电池内部的气泡越少越好.结果表明，随着加速度大小的增加，产生的气泡减少.所以在加速度竖直向上时，加速度越大，电池内部产生的气泡越少，有利于提高电池的电性能.

随着电解液灌注，单电池的压力也随之变化(本文中讨论的都为相对压力).在1 m/s的进口速度下，进口压力最多达到2.23×105Pa，这种压力在工程上很容易达到.单电池进口处的压力一直是最大的，并且在电解液充满整个单电池时压力达到最大值.0,1,30g电解液灌满后进口处的压力分别为2.22×105，2.22×105，2.23×105Pa，加速度大小对单体电池的最大压力影响不大；分析整个压力变化的动画可知，加速度大小对整体的压力分布规律也影响不大.

图3为1 g算例中不同时刻的压力分布图.图3中选取了五个时间节点：0.28 s时，电解液只是在进口流道中流动；1.6和6.8 s时，电解液在电池内部流动；7和7.4 s时，电解液已经进入到了出口流道.分析可知，在电池内部流动时，整体的压力变化不大，1.6～6.8 s整体的压力变化很小，直到进入到出口流道，压力才开始大幅度变化.这说明了大部分的流阻主要存在于进口流道和出口流道，而流阻是形成电解液分配不均的主要原因.

图3 1 g算例中不同时刻电池内部位置的相对压力图

2.2 加速度方向对单电池电解液注入过程的影响

为研究加速度方向对单电池电解液注入过程的影响，选取了二个加速度方向进行对比分析.算例2-1加速度方向为Y=30g,X=30g；算例2-2加速度方向为Y=30g,X=-30g.两种方向在5.6 s的电解液分配情况见图4.

图4 两种方向在5.6 s的电解液分配情况

由图4可知，当加速度方向为右上方时(为了分析方便，将X轴的正、负向定义为右、左，Y轴的正、负向定义为上、下)，电池内部电解液将不可能灌满.仅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，可以将电池内部灌满电解液.根据此结果，以及相关流体力学推断：只有加速度方向的X轴分量为负时，才有可能使电解液灌满电池；其它方向的加速度都会导致电解液提前从出口流道溢出,因此，此种结构的单电池只能在一定的加速度下达到最佳工作状态.若在其它不理想的下条件工作，电池中空气量过多，电池内阻将会升高，将会影响电池的电性能.

为解决加速度方向导致的问题，首先综合考虑电池加速度的实际工况，优化电池在装置中的空间结构布局.其次可以通过优化电池的几何结构，使其可满足各个方向加速度的要求.

3 结 论

装置加速度的大小和方向对电池电解液灌注过程有着很重要的影响.

1) 当装置加速度方向竖直向上时，加速度的大小会影响气液交界面的形态，加速度越大气液交界面越分明.并且在灌满以后，加速度越大，其电池内部产生的气泡也越少.

2) 当装置加速度方向竖直向上时，加速度大小的变化对进口最大压力值的影响很小，对整体压力分布影响也较小，其中流体的压降主要存在于进口流道和出口流道.

3) 当装置加速度方向变化时，只有部分方向可以使电池内部灌满电解液，可根据装置实际工况优化电池的空间结构布局，使其满足使用要求.