检查电流、能量和质量的守恒

在本教程的这一部分中，您将设置报告并生成监视器和绘图。这些绘图分别检查整个固体氧化物燃料电池（SOFC）中的电流、能量和质量的平衡。

您可以在以下绘图中显示结果：

电流守恒
电流守恒绘图将阳极和阴极集电器边界上的电流与阳极和阴极三相边界（TPB）上的电流进行比较。
能量守恒
从 SOFC 产生的能量不完全转化为外部电力。一些能量在出口处作为热量而损失。能量守恒绘图平衡了产生的外部电力 Eqn. (5286) 与流边界焓损失 Eqn. (5285)。

非等温能量守恒方程为：
图 1. EQUATION_DISPLAY

$\underset{i, I N}{Σ} {\hat{H}}_{i} (T_{I N}) Y_{i} \dot{m} - \underset{i, O U T}{Σ} {\hat{H}}_{i} (T_{O U T}) Y_{i} \dot{m} + \underset{i, Re a c t i o n}{Σ} {\hat{H}}_{i} (T_{R}) {\dot{m}}_{i} + Q_{O} + Q_{E} = 0$

(5283)
其中和分别是入口和出口处的温度。 $T_{I N}$ $T_{O U T}$ $\dot{m}$ 为质量通量， $Y_{i}$ 为组分 $i$ 的质量。焓形成与该反应中消耗的质量相关联（即组分的），并被转换为内部电化学热（）、内部的电阻热（），和外部的电功率（）： $i$ ${\hat{H}}_{i}$ $Q_{E}$ $Q_{O}$ $P$
图 2. EQUATION_DISPLAY

$\underset{i, Re a c t i o n}{Σ} {\hat{H}}_{i} (T_{R}) {\dot{m}}_{i} + Q_{O} + Q_{E} + P = 0$

(5284)
合并 Eqn. (5283) 和 Eqn. (5284)，得出：
图 3. EQUATION_DISPLAY

$P = \underset{i, I N}{Σ} {\hat{H}}_{i} (T_{I N}) Y_{i} \dot{m} - \underset{i, O U T}{Σ} {\hat{H}}_{i} (T_{O U T}) Y_{i} \dot{m}$

(5285)
外部电路可用的电力根据阳极 - 阴极电势差和外部电路可用的总电流计算： $U$ $I$
图 4. EQUATION_DISPLAY

$P = I U$

(5286)
Simcenter STAR-CCM+ 通过考虑每个电气或离子导电基板的电位损耗来计算电阻产热：
图 5. EQUATION_DISPLAY

$Q_{O} = ∭ σ {| \nabla ϕ |}^{2} d V$

(5287)
其中是电导率，是电势梯度。 $σ$ $\nabla ϕ$

Simcenter STAR-CCM+计算从反应释放的电化学热，，使用： $i$
图 6. EQUATION_DISPLAY

$Q_{E} = \iint i (η + T \frac{\partial E_{e q}^{o x}}{\partial T} |_{P})$
(5288)
其中是超电势，是平衡电势温度导数。 $η$ $\frac{\partial E_{e q}^{o x}}{\partial T} |_{P}$
质量守恒
质量守恒绘图将气流获得的质量与通过 TPB 的电化学反应产生的质量进行比较。

要创建报告：

右键单击报告节点，然后选择新建 > 用户 > 表面积分。
将表面积分 1 节点重命名为电流_阳极。

选择电流_阳极，然后设置下列属性：


属性	设置
场函数	边界单位电流
零部件	区域 > currentcollector-anode(集电器-正极) > 边界 > 接触

以同样的方式，再创建 11 个表面积分报告，并根据下一步中的表为其命名。

为报告设置以下属性：


报告	场函数	零部件
Current_AnodeTPB	边界特定电流 > 导体阳极的边界特定电流	区域 > anode(正极) > 边界 > mem-Interface [anode-TPB](膜交界面 [正极-TPB])
Current_Cathode	边界单位电流	区域 > currentcollector-cathode(集电器-负极) > 边界 > 接触
Current_CathodeTPB	边界特定电流 > 导体阴极的边界特定电流	区域 > cathode(负极) > 边界 > mem-Interface [cathode-TPB](膜交界面 [负极-TPB])
Electric_Power	ElectricPowerFlux(电力通量)	区域 > currentcollector-anode(集电器-正极) > 边界 > 接触区域 > currentcollector-cathode(集电器-负极) > 边界 > 接触
Enthalpy_Gain	Boundary Heat Flux(边界热通量)	区域 > 空气 > 边界 > 入口空气区域 > 空气 > 边界 > 出口空气区域 > 燃料 > 边界 > 入口-氢气区域 > 燃料 > 边界 > 出口-氢气
Mass_Gain_H2	质量通量 H2	区域 > 燃料 > 边界 > 入口-氢气区域 > 燃料 > 边界 > 出口-氢气
Mass_Gain_H2O	质量通量 H2O	区域 > 燃料 > 边界 > 入口-氢气区域 > 燃料 > 边界 > 出口-氢气
Mass_Gain_O2	质量通量 O2	区域 > 空气 > 边界 > 入口空气区域 > 空气 > 边界 > 出口空气
Mass_Reaction_H2	边界组分电化学反应通量 > H2 的边界组分电化学反应通量	区域 > anode(正极) > 边界 > mem-Interface [anode-TPB](膜交界面 [正极-TPB])
Mass_Reaction_H2O	边界组分电化学反应通量 > H2O 的边界组分电化学反应通量	区域 > anode(正极) > 边界 > mem-Interface [anode-TPB](膜交界面 [正极-TPB])
Mass_Reaction_O2	边界组分电化学反应通量 > O2 的边界组分电化学反应通量	区域 > cathode(负极) > 边界 > mem-Interface [cathode-TPB](膜交界面 [负极-TPB])

按照上述方法，创建体积积分报告并设置以下属性：


属性	设置
场函数	边界特定电流 > 导体阳极的边界特定电流
零部件	区域 > 阳极区域 > 阴极

为报告创建监视器和绘图：

要创建电流守恒的报告和绘图：
1. 同时选择Current_Anode、Current_AnodeTPB、Current_Cathode和Current_CathodeTPB节点。
2. 右键单击其中一个选定节点，然后选择根据报告创建监视器和绘图。
3. 在根据报告创建绘图对话框中，单击单个绘图。
4. 将报告绘图节点重命名为电流守恒。
以同样的方式，为以下每组报告创建监视器和绘图：
- 对于电力和焓_增益，创建一个名为名为能量守恒的绘图。
- 对于质量_增益_H2、质量_增益_H2O、质量_增益_O2、质量_反应_H2、质量_反应_H2O 以及质量_反应_O2，创建名为质量守恒的绘图。

展开绘图节点，然后设置下列属性：


节点	属性	设置
电流守恒	标题	电流守恒
能量守恒	标题	能量守恒
轴
左轴	最小值	0.0
左轴	最大值	0.01
质量守恒	标题	质量守恒
轴
左轴	最小值	-8.0E-10
左轴	最大值	8.0E-10

根据归一化选项为特定监视器分组。

右键单击监视器节点，然后选择新建组。
重复上述步骤，额外创建两个组。
重命名组：
- 归一化选项：自动
- 归一化选项：手动
- 归一化选项：关闭

使用多选选项，将监视器拖放到指定的组中：


组	监视器
归一化选项：自动	连续性
	电势
	能源
	H2
	H2O
	N2
	O2
	X 动量
	Y 动量
	Z 动量
归一化选项：手动	Current_Anode Monitor
	Current_CathodeTPB Monitor
	Enthalpy_Gain Monitor
	Mass_Gain_H2 Monitor
	Mass_Gain_H2O Monitor
	Mass_Gain_O2 Monitor
	Mass_Reaction_H2 Monitor
	Mass_Reaction_H2O Monitor
	Mass_Reaction_O2 Monitor
归一化选项：关闭	Current_AnodeTPB Monitor
	Current_Cathode Monitor
	电功率监视器

展开监视器节点，然后如下所示设置归一化选项：


节点	归一化选项
归一化选项：自动	自动
归一化选项：手动	手动
归一化选项：关闭	关闭

展开以下节点，同时选择手动归一化子节点，并将归一化因子设置为 -1.0：
- Current_Anode Monitor
- Current_CathodeTPB Monitor
- Enthalpy_Gain Monitor
- Mass_Gain_H2 Monitor
- Mass_Gain_H2O Monitor
- Mass_Gain_O2 Monitor
将归一化因子设置为 -1，反转监视器值。

归一化因子与分子量相反，归一化因子用于在检查守恒时在摩尔通量与质量通量之间转换。

对于以下监视器节点，请按如下方式设置手动归一化子节点的归一化因子：
- Mass_Reaction_H2 监视器：-0.496032
- Mass_Reaction_H2O 监视器：-0.0555093
- Mass_Reaction_O2 监视器：-0.03125
保存模拟。