基于现象的建模方法研究及其应用

论文摘要

先进能源系统是一种涉及多种物理化学过程的复杂系统,时空多尺度特征和行为是其中所有复杂现象的共同本质和量化的难点。目前在对宏观现象的仿真中普遍采用的平均方法无法表达过程的内在机理,因而难以具备准确预测功能,这是工艺设备放大难以成功的原因。解决这一问题的根本出路在于实现基于微观机理的模拟。最近几年得到关注的多尺度模拟方法抓住了多尺度效应这一重要特征进行简化分析,尽管还未深入到过程的所有内在机制,但却是一种非常有效的途径。多尺度模拟以复杂系统在时间和空间上的多尺度特征为基础,同时考虑多个尺度效应进行模拟,每个尺度的模拟涉及不同的仿真方法和手段。对复杂系统采用多尺度模拟不但可以揭示复杂现象的本质,而且使复杂系统的量化设计和放大成为可能。因此对先进能源系统开展基于多尺度模拟的建模方法研究具有重要的理论意义和实用价值。本文研究工作主要分二个部分:第一部分研究基于现象的建模方法以实现能源系统的多尺度模拟,同时研究不同现象模型的耦合机制。第二部分以固体氧化物燃料电池(SOFC)为例进行多尺度模拟并验证基于现象的建模方法,这部分工作包含以下两方面的内容:1采用Lattice Boltzmann方法模拟电化学反应扩散,研究了电化学反应过程中气体浓度和电流密度的分布情况;2对固体氧化物燃料电池进行多尺度稳态数值模拟,基于质量、动量和能量平衡并耦合流体流动、热量产生和传递以及电化学知识建立了管型SOFC的CFD模型并耦合介观尺度上的反应扩散模拟。模型中采用质量、动量、能量守恒方程描述电池内的流动、传热传质等物理过程,并研究了电池内部的温度、气体流速的分布情况。本文初步建立了一种基于现象的建模方法的框架,并有效地实现了宏观模型和介观模型的协同仿真,仿真结果表明采用基于现象的建模方法进行复杂能源系统的多尺度模拟是一种行之有效的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.3 课题研究内容
• 2 基于现象的建模方法
• 2.1 传统建模方法概述
• 2.1.1 机理建模方法
• 2.1.2 辨识建模方法
• 2.1.3 模糊建模方法
• 2.1.4 神经网络建模方法
• 2.1.5 模糊神经网络建模方法
• 2.2 基于现象的建模
• 2.2.1 基于现象的建模技术
• 2.2.2 基于现象建模方法的一般步骤
• 2.3 基于元模型的建模方法
• 2.3.1 元模型的产生和发展
• 2.3.2 元模型建模技术
• 2.4 本章小结
• 3 格子BOLTZMANN 方法在基于现象建模中的应用
• 3.1 格子BOLTZMANN 方法的起源
• 3.2 标准LBM
• 3.3 格子BOLTZMANN 方法的反应扩散特性
• 3.4 模拟结果及分析
• 3.4.1 扩散系数的模拟
• 3.4.2 电化学反应扩散现象的模拟
• 3.5 本章小结
• 4 高温氧化物燃料电池SOFC 的多尺度耦合模拟
• 4.1 引言
• 4.2 基于现象的建模方法应用的示例——单体管式固体氧化物燃料电池(SOF
• 4.2.1 燃料电池发展状况
• 4.2.2 燃料电池的特点
• 4.2.3 燃料电池的分类及应用
• 4.2.4 管式SOFC 的结构及工作原理
• 4.3 SOFC 模型的建立
• 4.3.1 模型假设条件
• 4.3.2 计算流程
• 4.3.3 质量守恒方程
• 4.3.4 动量守恒方程
• 4.3.5 能量守恒方程
• 4.3.6 边界条件
• 4.4 FEMLAB 软件简介
• 4.5 数值计算
• 4.6 数值模拟结果及分析
• 4.7 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：硕士期间发表的论文情况