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银锌一次电池电液分配系统的模拟与优化

彭政  
【摘要】: 银锌电池在舰船上应用已经有50多年的历史,锌银电池具有比能量高、放电电压平稳、安全可靠等特点,目前国际上深海潜水器多采用锌银蓄电池。经过实验分析,发现多数电池组的失效是由于个别单体电池内电池电解液体积不均匀造成的。所以电池组的性能受容量较低的单体电池控制。对于目前广泛采用的锌银贮备电池组结构来说,采用等截面分配管对各单体电池进行电解液分配时,由于存在逆压,使得分配管后段各单电池进液口的流量大于前段各单电池进液口的流量,各单体之间的流量差别较大。 本文主要就是对电池组的进液分配系统进行模拟和优化,整个工作简化为快速性和均匀性两个问题,快速性模拟包括快速充液和钢瓶快速放气,均匀性问题是指电解液在电池组内分配状况。 使用FLUENT软件的VOF模型可以很好的单独解决快速性和均匀性问题,得到充液和进液分配的动态过程,从结果中可以得出在大约0.75s的时间内,液囊中95%的液体即可被压出,可以满足快速性的要求。在2分钟内,钢瓶中气体压力是一定可以从1.5MPa下降到接近常压,也满足要求。对三维电池组,将5.47L的液体注入电池组所需时间约为0.73s,满足快速性要求;前18个单电池的进液体积较少,且偏差较大,不满足进液均匀性的要求。 针对均匀性不足的情况进行优化,原方案中进口电液流动方向垂直于总管,导致了较大的动量损失,同时加剧了电解液分配的不均匀性。初步优化,将进口总管方向改至与总管电液流动方向平行,进液均匀性有所提高。然后通过增加进口数量、采用锥形的进液总管可以使均匀性提高,但是进口数目的过多会不利于整个电池系统的布置,进液总管锥度过大将使系统整体装配难度加大。所以双进口变截面的进气总管一起使用是优化的趋势,文中对采用双进口变截面的进气总管电池组的模拟表明其均匀性大大提高。最后综合考虑液囊中液体的排出和电池组中液体分配的相互影响,使用了VOF模型和动网格技术联用来解决耦合问题。对比较接近实际工作情况的模型进行了模拟,得出了电解液动态分配过程。


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