基于ANSYS的多孔介质中流动、传热与应力分析

【摘要】： 多孔介质中传热与流动过程与能源、航天、地质、材料、化工、建筑、环境和生命科学等领域有着密切的联系,多孔介质中的传热、流动与应力分析广泛应用于各个学科,包括土壤渗流力学,储氢及燃料电池等新能源领域。 本文以达西定律和质量守恒定律等为基础,推导出多孔介质渗流基本方程,并对多孔介质中传热与应力模型进行了介绍。证明了渗流与热传导理论的相似性,并利用有限元软件ANSYS作为平台,应用其二次开发工具一-APDL语言,编写了渗流计算命令流程序,通过匀质大坝算例验证了该程序的可靠性和正确性。 然后,本文给出质子燃料电池多孔介质膜电极基本模型,根据应力应变数学模型给出了利用ANSYS计算湿应力应变的方法,并对膜电极湿热应力进行了分析。结果表明,除了装配过程的夹紧力和运行温度外,膜的相对湿度起了很大的作用,并且湿应力对膜的影响比热应力影响大得多。在给定3.95μm紧位移后,最大等效应力发生在膜的边缘部分,塑性应力成为影响疲劳破坏的主要原因。膜在靠流道位置部分应力沿厚度方向变化较大,在不断的循环运行过程中会造成机械失效。 接着,以渗流模块为基础,编制了计算渗透体积力的命令流程序,并根据渗流系数与应力之间的关系式进行了土石坝的渗流与应力场的耦合分析。根据此耦合分析命令流程序计算了金山店锡冶山尾矿坝与塌陷回填区渗流场及其耦合场分布,计算表明,对于尾矿坝考虑耦合相对单独计算渗流场的渗流量增加约2%,考虑渗流时的总应力场比单独考虑应力场时总应力值增加10%～20%。对于矿区塌陷回填区,在巷道附近渗流速度较大,通过巷道边界的渗流量为1.3×10-3m3／s／m,矿区由于不断排水,浸润线降到了-200米以下区域,考虑耦合比不考虑耦合总水头值总体上是减小的,特别是在底部区域,影响更为明显,且总水头值随着耦合系数β的增加而逐渐减小的。