基于多弛豫时间格子玻尔兹曼方法的脉动吹扫条件下PEMFC阴极通道多分散液滴输运动力学建模研究

本文针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极通道在脉动吹扫条件下多分散液滴的复杂输运行为，采用多弛豫时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)开展了精细化模拟研究。通过建立多相流动力学模型，系统分析了液滴运动特性及相间相互作用机制，为优化PEMFC水管理策略和提升电池性能提供了重要理论依据，对推进清洁能源技术发展具有显著意义。

　　

在追求碳中和的全球背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为清洁能源转换装置备受关注。然而其阴极通道内生成的水滴会阻碍氧气传输，导致电池性能显著下降。特别是在车辆启停等变工况条件下，传统的连续吹扫方式难以有效清除通道内的液态水，这就催生了脉动吹扫新策略的开发需求。但脉动气流与多尺寸液滴间的相互作用机制复杂，传统实验手段难以捕捉微观动态过程，亟需通过先进数值模拟方法揭示其物理本质。

为攻克这一难题，研究团队创新性地采用多弛豫时间格子玻尔兹曼方法(Multiple-Relaxation-Time Lattice Boltzmann Method, MRT-LBM)这一介尺度模拟利器。与传统计算流体动力学方法不同，MRT-LBM通过粒子分布函数演化再现流体宏观行为，特别擅长处理复杂边界和多相流动问题。该方法通过调整不同矩的弛豫时间，可有效提升数值稳定性，尤其适用于高雷诺数流动模拟。

研究团队构建了包含多尺寸液滴群体的气-液两相流模型，首次系统研究了脉动吹扫条件下液滴的运动特性、形变规律和相间相互作用机制。通过精确捕捉液滴的破碎、聚并过程，揭示了不同粒径液滴在脉动气流中的差异化响应行为。

液滴动力学行为分析

研究发现脉动吹扫能产生周期性变化的剪切力，显著促进液滴从通道壁面的剥离。小尺寸液滴（直径<50μm）更易随气流运动，而大尺寸液滴（直径>100μm）在气流作用下发生剧烈形变，产生二次破碎现象。这种多分散特性使得吹扫效率呈现非线性变化规律。

相间相互作用机制

研究首次量化了液滴-液滴碰撞频率与脉动频率的关联性，发现特定频率范围内（10-15Hz）的脉动吹扫可使碰撞效率提升约40%，显著促进液滴聚并形成更大液滴，从而更易被气流带出通道。

吹扫策略优化

通过对比不同脉动参数（频率、振幅、波形），研究确定了最优吹扫工况。三角波脉动在能耗相同的情况下，比传统方波吹扫提高排水效率25%，为PEMFC水管理系统设计提供了直接理论指导。

这项研究不仅深化了对PEMFC阴极通道内多相流动机理的认识，更为优化燃料电池水管理策略提供了新思路。所开发的MRT-LBM模拟框架同样适用于其他涉及多分散颗粒/液滴的系统，如喷雾燃烧、微流控芯片等，具有广泛的工程应用价值。研究结果表明，通过精准调控脉动吹扫参数，可实现在不增加额外能耗的前提下显著提升PEMFC性能，这对推进燃料电池技术在交通运输领域的商业化应用具有重要意义。未来工作可进一步结合实验验证，并探索将人工智能算法与数值模拟相结合，实现吹扫策略的实时优化控制。