شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی دوفازی از حرکت قطره در میدان جریان و منیفولد سمت کاتد پیل سوختی پلیمری

پیل سوختی پلیمری با ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تولید آب، انرژی شیمیایی سوخت را بطور مستقیم و طی یک واکنش الکتروشیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. از مهم‌ترین موانع تجاری‌سازی این فناوری، مشکلات مربوط به مدیریت آب می‌باشد. در کار حاضر به بررسی فرایند حرکت قطرات شکل گرفته در کانال‌های جریان گاز به همراه منیفولدهای ورودی و خروجی پرداخته شده است. با توجه به ابعاد کوچک این کانال‌ها، توازن نیروهای موثر بر حرکت جریان مایع به سمت چسبندگی سطحی می‌باشد، بنابراین از مدل نیمه تجربی هافمن به همراه روش عددی دوفاز حجم سیال برای شبیه‌سازی فیزیک مساله در یک هندسه کاربردی شامل منیفولدهای توزیع کننده جریان گاز استفاده شده است. اثر شیب‌دار کردن مقطع منیفولد بر دفع قطرات آب مایع نسبت به حالت مستقیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مدل فیزیکی بکارگرفته شده برای زاویه تماس دینامیک با داده‌های حاصل از یک مطالعه آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با تغییر هندسه منیفولدهای ورودی و خروجی مشکل ایجاد شده در هندسه متداول که موجب انسداد کانال انتهایی ناشی از تجمع آب مایع می‌شود برطرف شده و در نتیجه، اصلاح هندسه سبب بهبود مدیریت آب در کانال‌ها خواهد شد.

1-1- Two Phase Simulation of Droplets Motion in Cathode Channels and Manifolds of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Polymer electrolyte membrane fuel cell with a combination of oxygen and hydrogen and production of water converts the chemical energy of the fuel directly and through an electrochemical reaction to electrical energy. One of the most crucial issues for commercializing this technology is water management. In the present study, the motion of liquid droplets that emerged in the gas flow channels with inlet and outlet manifolds is investigated. Due to the small dimensions of these channels, the balance of surface adhesion and other dynamic forces influence the flow of fluid, therefore, the semi empirical Hoffman model with a twophase flow method for simulating physics in an applied geometry including gas flow manifolds are used. The effect of tapering the manifold crosssection on the liquid water droplets is also investigated. The physical model used for the dynamic contact angle is validated with data from an experimental study. Simulation results show that by changing the geometry of the input and output manifolds, the problem created in conventional geometry, which causes the obstruction of the last channel due to the accumulation of liquid water, will be resolved, thereby improving the geometry will improve the water management in the channels.