(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210620700.5 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 中汽研新能源 汽车检验中心 （天津） 有限公司 地址 300300 天津市东 丽区雄姿道8 8号 (72)发明人 焦道宽　郝冬　张妍懿　马明辉　 杨子荣　兰昊　赵鑫　冀雪峰　 (74)专利代理 机构 北京卓岚智财知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 11624 专利代理师 任漱晨 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种燃料电池气体扩散层水-热-质传输仿 真方法 (57)摘要 本申请提出了一种燃料电池气体扩散层水 ‑ 热‑质传输仿真方法， 包括： 确定仿真尺寸， 得到 气体扩散层的三维多孔几何结构； 划分网格， 得 到初始计算域； 基于压缩力学模 型对初始计算域 进行压缩； 构建并根据流 ‑固耦合模型， 迭代更新 所述温度T和所述液相体积分数α， 得到动态平 衡的温度T和液相体积分数α输出。 准确反映气 液传输与热量传递间的耦合影 响关系， 大大提高 研发效率， 对于气体扩散层的性能优化及产品设 计具有重要意 义。 权利要求书4页 说明书13页 附图3页 CN 114707365 A 2022.07.05 CN 114707365 A 1.一种燃料电池气体扩散层水 ‑热‑质传输仿真方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 通过确定所述气体扩散层和围绕所述气体扩散层的外围部件大小， 以及所述气体扩散 层中流道、 脊、 微 孔层的位置关系， 得到 仿真尺寸； 根据所述仿真尺寸采用随机函数法重构得到所述气体扩散层的三维多孔几何结构， 对 所述三维多孔几何结构和所述外围部件划分网格， 得到初始计算 域； 基于压缩力学模型根据预设压缩比率对所述初始计算 域进行压缩， 得到标准计算 域； 构建并根据两相相变模型， 计算所述标准计算域的液相体积分数α 、速度U和温度T， 其 中， 所述液相体积分数α表示所述标准计算域中液态水的含量和分布， 所述速度U表示所述 标准计算域中气相和液相 两相综合的流动速度， 所述温度T表示所述标准计算域中的温度 分布； 构建并根据流 ‑固耦合模型， 迭代更新所述温度T和所述液相体积分数α， 得到动态平衡 的所述液相体积分数α 输出。 2.按照权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层水 ‑热‑质传输仿真方法， 其特征在 于， 所述气体扩散层由多孔结构的碳纤维层堆叠而成； 所述碳纤维层中随机分布着圆柱体状的碳纤维， 每层所述碳纤维层中的所述碳纤维直 径相同， 所述碳纤维在同一所述气体扩散层中相互交叉， 不同所述气体扩散层 间的所述碳 纤维相切。 3.按照权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层水 ‑热‑质传输仿真方法， 其特征在 于， 所述两相 相变模型由修 正的相方程、 连续 性方程、 动量方程构建， 其中， 所述连续 性方程如下公式所示：   (3‑1) 所述动量方程如下公式所示：   (3‑2)  (3‑3)    (3‑4) 其中， U表示所述速度， g表示重力加速度，   表示梯度， 表示散度， ρ 表示密度， t表示 瞬态时间， μ表 示粘度， p表 示压力， C,  κ 分别表 示表面张力系数、 气液两相界面的平均曲率， ρl表示水蒸气的密度， ρg表示液态水的密度， μl表示水蒸气的粘度， μg表示液态水的粘度； 通过所述连续 性方程和所述动量方程计算得到所述标准计算 域的速度U。 4.按照权利要求3所述的一种燃料电池气体扩散层水 ‑热‑质传输仿真方法， 其特征在 于， 所述修正的相方程包括 修改相方程和添加能量方程， 并具体包括： 所述修改相方程如下公式所示：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114707365 A 2  (4‑1) 其中， 表示相变速率， 用来表征有多少体积的水蒸气变成了水， 所述液相的体积分数 α 初始值为0， 预设所述速度U的初始值， 通过所述修改相方程计算得到所述标准计算 域的所述液相体积分数α； 所述添加能量方程如下公式所示：   (4‑2) 其中， T代 表所述温度， Cp表示流体的热容， k 为导热系数， Hfg为水的潜热值； 通过所述添加能量方程计算得到所述标准计算 域的所述温度T。 5.按照权利要求4所述的一种燃料电池气体扩散层水 ‑热‑质传输仿真方法， 其特征在 于， 根据如下公式得到所述相变速率 ：  (5‑1) 其中，M表示流体的摩尔质量， R表示通用气体常数， Tsat表示当地的饱和温度， 根据如下公式迭代更新Hfg：   (5‑2)。 6.按照权利要求5所述的一种燃料电池气体扩散层水 ‑热‑质传输仿真方法， 其特征在 于， 在所述流 ‑固耦合模型中， 求解所述碳纤维的内部温度分布， 并根据 所述碳纤维之间的 孔隙和所述 碳纤维之间的相互影响， 迭代更新所述温度T， 如下公式所示：  (6‑1) 其中，a表示热扩散系数，  x表示坐标距离； 在所述流 ‑固耦合模型中， 当达到动态平衡时， 数值仿真 收敛中的温度分布在所述碳纤 维域s和所述孔隙域f两相相界面处的数值保持相等， 如下公式所示：    (6‑2)   (6‑3) 其中，Ts表示在所述两相相界面处所述碳纤维域 s侧的温度值， Tf表示在所述两相相界权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114707365 A 3