● 摘要
本文对固体聚合物电解芯体中设计两相流动的部分进行了仿真研究，建立了该设备中不同部分两相流仿真的数学模型和仿真策略，并基于文献中获取的电解芯体进行了两相流动的特性分析和结构改进，提出了优化芯体两相流动输运的控制建议及结构改进方案，开创性得解决了电解芯体因为部件尺度差异带来的仿真问题。本文的主要研究工作如下：
1、本文基于分形理论提出了解决多孔介质单相流动及两相流动仿真的解决方案。通过将小尺度的特性嵌在更大一级尺度的模型当中，以解决多孔介质尺度太小、直接建模仿真需要巨大计算量的问题。从结果分析可以得知重整化的方案在解决多孔材料的流动问题上具有一定的研究价值，而且通过仿真求得常数C后，利用分相流模型预估电解芯体多孔扩散层部分两相流动压降。
2、由分部仿真的电解芯体仿真策略出发，通过多孔介质产气模型，建立了可以实现固体聚合物电解芯体整体两相流动仿真策略。从仿真结果可以看出，圆盘方形阻流流道结构设计会难以避免的在流场中形成漩涡区，尤其在远离进出口轴线位置的周边区域，存在着数量较多的漩涡区。随着水入口流量逐渐增大，可以抑制漩涡区的产生，同时减小气泡在芯体内的平均运动时间，气泡更易排出到芯体之外。
3、为加快排出电解反应生成气体提出了三种结构优化方案：将原有单进口单出口的结构调整为30°、45°及60°夹角双进口双出口结构，通过仿真分析，发现三种改进结构中， 30°夹角双进口双出口的结构设计表现最优。此结构不仅能有效缓解原有结构周边流道漩涡区大的问题，同时相较与45°及60°夹角双进口双出口结构，流场中因结构导致进出口夹角角平分线上新生成的漩涡区数量最少；同时气泡流经流程的平均时间最短，而且有更大量的气泡离开计算区域。
论文研究工作对固体聚合物电解芯体的整体建模提供了有效的仿真策略，提出了减少气泡在芯体中滞留时间的控制方法，并基于仿真分析为芯体结构的改进提供了依据。