FLUENT单电池放电过程模拟

本案例演示锂离子电池放电问题的模拟过程。案例模型如下图所示。

案例中，选后采用NTGK、ECM和Newman三种电化学模型对同一电池几何模型进行计算分析。

 

FLUENT电池模拟特点：

• MSMD（Multi-Scale Multi-Dimension）电池模型可以自动探测电池的连接模式

• 完全耦合流体、热和电化学

• 稳健的计算过程（速度，稳定性）

• 三种不同的电化学模型，既有基于经验公式又有基于物理模型

• 不同的操作条件

• 指定电压、电流、充电速率，或功率

• 动态电流曲线，电池充电/放电

• 可以输入I、V和P的曲线

• 各向异性材料性质

• 为用户提供定制工具来实现非标准模型相关功能

• 详细的后处理

 

1、启动FLUENT并导入网格

（1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 18.1→Fluid Dynamics→FLUENT 18.1命令，启动FLUENT 18.1。

（2）在FLUENT Launcher界面中的Dimension中选择3D，在Display Options中勾选Display Mesh After Reading，Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme，单击OK按钮进入FLUENT主界面。

（3）在FLUENT主界面中，单击主菜单中File→Read→Mesh按钮，弹出Select File（导入网格）对话框，选择文件名为unit_battery.msh的网格文件，单击OK按钮便可导入网格。

（4）导入网格后，在图形显示区将显示几何模型。

（5）单击主菜单中Mesh→Check按钮，检查网格质量，确保不存在负体积。

（6）单击主菜单中File→Write→Case按钮，弹出Select File（保存项目）对话框，在Case File中填入battery，单击OK按钮便可保存项目。

 

2、调入MSMD电池模型

（1）在文本信息区，依次输入以下指令

> define

/define> models

/define/models> addon-module

Fluent Addon Modules:

   0. None

   1. MHD Model

   2. Fiber Model

   3. Fuel Cell and Electrolysis Model

   4. SOFC Model with Unresolved Electrolyte

   5. Population Balance Model

   6. Adjoint Solver

   7. Single-Potential Battery Model

   8. Dual-Potential MSMD Battery Model

   9. PEM Fuel Cell Model

   10. Macroscopic Particle Model

Enter Module Number: [0] 8

（2）输入8，选择导入MSMD电池模型。一旦MSMD电池模型被加载，MSMD电池模型将出现在模型树中。

 

3、定义求解器

（1）单击主菜单中Define→General按钮，弹出General（总体模型设定）面板。在Solver中，Time类型选择Transient。

（2）在模型设定面板双击Energy按钮，弹出Energy（能量模型）对话框，勾选Energy Equation激活能量方程，单击OK按钮确认。

 （3）在模型设定面板双击MSMD Battery Model按钮，弹出MSMD Battery Model（MSMD电池模型）对话框，勾选Enable the battery model激活MSMD电池模型。

（4）在Conductive Zones选项卡中，按照下图进行选择。注意：对于这种单电池的情况，没有母线区，因此不需要特别设定。

（5）在Electric Contacts选项卡中，按照下图进行选择。

 

（6）在Electric Contacts选项卡中，点击Print Battery System Connection Information按钮，将在文本信息框中显示如下信息。确认后，点击OK按钮关闭MSMD电池模型对话框。

 

4、设置材料

（1）单击主菜单中Define→Materials按钮，弹出Materials（材料）面板。在材料面板中，点击Create/Edit按钮便可弹出Create/Edit Materials（物性参数设定）对话框。

（2）在物性参数设定对话框中，按照以下参数设定新物质e_material。

              a．Material Type选择solid

              b．Name中输入e_material，Chemical Formula中输入e

              c．Density中输入2092

              d．CP (Specific Heat)中输入678

              e．Thermal Conductivity中输入18.2

              f．UDS Diffusivity选择define-per-uds，在弹出的UDS Diffusivity Coefficients对话框中，设定uds-0的Coefficient为1.19e6，uds-1的Coefficient为9.83e5

（3）点击Change/Create按钮完成新物质的设定。

（4）单击FLUENT Database按钮，弹出所示FLUENT Database Materials（材料数据库）对话框。在Material Type中选择solid，在FLUENT Solid Materials中选择copper，单击Copy按钮确认，单击Close按钮退出。

（5）在物性参数设定对话框中，按照以下参数修改copper设定新物质p_material。

              a．Material Type选择solid

              b．Name中输入p_material，Chemical Formula中输入pmat

              c．UDS Diffusivity选择user-defined，在弹出的User-Defined Functions对话框中，选择battery_e_cond::msmdbatt，点击OK按钮确认。

              d．Electrical Conductivity中输入1.0e7，点击Change/Create按钮完成新物质的设定。

（6）在物性参数设定对话框中，按照以下参数设定新物质n_material。

              a．Material Type选择solid

              b．Name中输入n_material，Chemical Formula中输入nmat

              点击Change/Create按钮，在弹出的Question对话框中，单击No按钮创建新物质。

 

5、设置计算域

（1）单击主菜单中Define→Cell Zone Conditions按钮启动Cell Zone Condition（区域条件）面板。

对应e_zone、tab_pzone和tab_nzone在Material Name中选择相应的e_material、p_material和n_material。

 

6、边界条件

（1）单击主菜单中Define→Boundary Conditions按钮启动的边界条件面板。

（2）在边界条件面板中，双击wall_active弹出边界条件设置对话框。

在Thermal选项卡中，Thermal Conditions选择Convention，在Heat Transfer Coefficient中输入5，单击OK按钮确认退出。

（3）在边界条件面板中，单击Copy按钮弹出Copy Conditions（边界条件复制）对话框。

在From Boundary Zone中选择wall_active，在To Boundary Zone中选择wall_p和 wall_n，单击Copy按钮完成复制。

 

7、求解控制

（1）单击主菜单中Solve→Methods按钮，弹出Solution Methods（求解方法设置）面板。

（2）单击Equations按钮，弹出Equations（方程）对话框，取消选择Flow，单击OK按钮确认。

（3）单击主菜单中Solve→Monitors按钮，弹出Monitors（监视）面板，双击Residuals-Print, Plot便弹出Residual Monitors（残差监视）对话框，在Convergence Criterion中选择none。

（4）在Surface Monitors下单击Create按钮弹出Surface Monitor（表面监视）对话框。

勾选Plot，在Report Type 中选择Area-Weighted Average，在Field Variable中选择User Defined Scalars和Potential Phi+，在Surface中选择tab_p，单击OK按钮确认。

（5）在Volume Monitors下单击Create按钮弹出Volume Monitor（体积监视）对话框。

勾选Plot，在Report Type 中选择max，在Field Variable中选择Temperature和Static Temperature，在Cell Zones中选择全部，单击OK按钮确认。

 

8、初始条件

单击主菜单中Solve→Initialization按钮，弹出Solution Initialization（初始化设置）面板。

Initialization Methods中选择Standard Initialization，单击Initialize按钮进行初始化。

 

9、计算求解

单击主菜单中Solve→Run Calculation按钮，弹出Run Calculation（运行计算）面板。

在Time Step Size中输入30，No. of Time Steps中输入100，单击Calculate开始计算。

 

10、结果后处理

（1）在Graphics下双击Contous弹出Contous（等值线）对话框。

Contous of选择User Defined Scalars和Potential Phi+，在surfaces中选择tab_p，wall_active和wall_p，单击Display按钮，显示云图。

本篇文章来源于微信公众号: 南流坊