燃料电池和垃圾填埋场的数值模拟
格子Boltzmann方法又被称作介观模拟方法，在微观上是连续方法，宏观上是离散方法，是一个十分活跃的数值模拟工具和科学研究手段，可以应用到多孔介质流、化学反应流、磁流体、非牛顿流体、多相多质流等许多领域。格子Boltzmann方法与其他传统数值方法相比，具有并行性能好，物理图像清晰，程序易于实施和边界处理简单等优点，尤其在解决复杂几何结构的问题时有很大优势。
微生物燃料电池（简称MFC）是一种能够把微生物作为催化剂分解有机物质从而产生电能的新型环境友好型能源装置。到目前为止，对于微生物燃料电池内在连续流的条件下流体穿过多孔阳极的对流现象，人们已经做了大量研究。然而，流体穿过多孔阳极的力学机理和多孔介质与MFC的定量关系还不是很清晰。实验发现当MFC装置的距离在某个特定范围时输出功率明显增大。基于这些实验得到的数据，我们利用格子Boltzmann方法研究了阳极与阴极之间的距离和多孔阳极达西数对MFC输出功率的影响。结果表明阳极与阴极之间的距离影响MFC中流体的速度和流体在多孔阳极中的滞留时间。此外，还发现多孔阳极的达西数能够影响MFC的输出功率。我们的模拟结果对MFC的优化设计是有一定帮助的。
垃圾填埋法是处理生活垃圾的主要方法。但该种方法会造成一定的环境问题，垃圾分解过程中会产生大量高浓度污染物的渗滤液，这些渗滤液如果不加处理会严重污染周围环境。根据渗流力学结合热力学理论，分析了垃圾填埋场内的热效应和渗流机理，在垃圾填埋场中建立了温度场与渗流场耦合的三维数学模型，并给出了与该数学模型相对应的有限元方法，并对其进行了数值模拟。重点研究了温度变化和渗透率的改变对垃圾填埋场内渗滤液的渗流机理的影响，结果显示两者相互作用最终会形成稳定的渗流场和温度场。
文章还综述了用格子Botzmann方法模拟直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究进展，具体介绍了利用格子Boltzmann方法模拟燃料电池中的多相流，传热传质和电化学反应过程等的最新进展，认识到格子Boltzmann方法作为一种计算流体力学的介观模拟方法，是一种有效的分析燃料电池性能的数值方法，通过数值模拟可以更好地了解电池的复杂物理化学过程，为优化电池性能提供更充分的理论依据。文章还对研究最新进展予以简单评述，同时指出了目前研究过程中所建模型存在的不足。
格子Boltzmann法;微生物燃料电池;垃圾填埋场;多孔介质流;温度场;有限元法
浙江师范大学
硕士
凝聚态物理
许友生
2012
中文
TM911.45;X705
65
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）