在全球能源转型的背景下，氢能因其零碳排放特性和多样的应用场景，已成为构建新的电力系统和实现“双碳”目标的关键组成部分[1,2]。在水电解的三种主要技术路线中——碱性水电解（AWE）、质子交换膜（PEM）和固体氧化物电解（SOE）——AWE由于其成熟的产业链和成本优势而占据主导地位[3]。尽管有这些优势，碱性电解器的效率和耐久性仍受到质量传输限制和热挑战的影响。特别是，涉及液相到气相连续质量传输的气液多相流动，这一过程由阳极的氧演化反应（OER）和阴极的氢演化反应（HER）驱动，仍然是限制能效进一步提升的关键瓶颈。具体而言，电解池内的非均匀电解质分布和温度梯度加剧了欧姆损耗，加速了电极降解，从而降低了整体性能。先前的研究表明，当电极表面的氢气体积分数超过15%时，由此产生的气泡遮蔽效应会减少有效电化学反应面积多达38%，从而增加局部电流密度并加速电极腐蚀。最近关注气泡动力学的CFD研究进一步强调了准确捕捉相生成和传输过程的重要性。例如，Lee等人[4]开发了一个综合模型来模拟零间隙AWE电池多孔电极内的气体演化过程，强调了解决界面现象的必要性。特别是，以电化学生成的气泡（氢气和氧气）为主要特征的气液多相流动，仍然是一个关键瓶颈。为了解决这一瓶颈，现代碱性电解器通常采用具有球形凸凹结构的电极板，通过周期性干扰局部流动扰动来增强气液质量传输，并促进流动和温度的均匀分布[[5], [6], [7]]。
CFD的进步显著提高了对碱性电解器内部流动行为的理解，尤其是在具有凸凹结构或多孔电极的流动通道中。这种建模方法也扩展到了相关的氢系统，如氢燃烧和氨-氢转化[8]。Wang等人[9]使用单相CFD模型量化了由凸凹双极板引起的非均匀流动分布，并建立了流动均匀性的评估标准。Casta?eda等人[10]通过CFD模拟证明，填充有间隔物的流动通道可以促进过滤压榨电解器中的流动均匀化。Gao等人[3]进一步指出，增加凸凹中心间距以及提高入口速度可以降低电池电压并增强电极附近的电解质流动，从而提高整体电解器性能。然而，这些研究仅关注单相流动，因此忽略了实际电解过程中发生的气液相互作用。实际上，电解过程中的气体体积分数通常达到15%-25%[11,12]，界面力会在流动参数中引入显著的非线性波动。
当前研究表明，关于气液多相流动的耦合机制仍存在显著的知识空白。现有的数值模型经常简化多相相互作用，并忽略了由电化学反应驱动的气体生成和相关的相变。这种简化可能导致流场预测误差高达18%至22%，从而削弱了参数优化策略的可靠性[13]。值得注意的是，Zhang等人[14]通过气液两相模拟证明，凸凹结构可以改善流动均匀性，优化相分布，并减少电极表面的氢气积聚。这些发现与在对流热传递系统中观察到的这种结构的增强传热和减阻特性一致[[15], [16], [17]]。此外，Xue等人[18]揭示了双极板流动通道内流动均匀性对温度场和氢气分布的关键影响，表明由不同流速引起的局部温度波动会显著改变电解反应速率。尽管先前的研究已经探讨了温度、流速和电解效率之间的关系，但尚未建立明确耦合这些变量的协同优化模型。此外，仍然缺乏系统性的框架来全面整合跨耦合物理场的气液多相效应。这一理论瓶颈直接限制了工程优化的实际应用。如果没有准确描述气液多相流动与电化学-热过程之间的动态耦合，结构或参数优化可能会依赖于扭曲的物理假设。为了解决这些问题，研究人员提出了两种主要策略：（i）应用外部物理场（如超声波[19]、重力和磁场[20]）来促进气泡去除和热传递[21]；（ii）优化结构和操作参数以提高整体效率[22,23]。虽然外部物理场可以促进流动加速并提高温度均匀性，但它们相关的能耗往往超过收益，并可能引入流动场的额外扰动。更关键的是，工程优化涉及高维、多变量耦合问题。这些问题需要同时考虑不规则流动结构（如球形凸起和凹陷）以及电化学反应动力学和热场演化之间的耦合。
传统的优化算法在处理这类高维非线性问题时往往不足，这凸显了开发新的数值优化框架的迫切需求。然而，纯基于CFD的优化在计算上代价高昂，且不适用于探索高维设计空间，因为它无法高效生成多变量优化所需的广泛数据集。在这种情况下，响应面方法结合多目标优化算法展示了独特的优势。Li等人[24]成功应用多目标遗传算法（MOGA）优化了质子交换膜燃料电池，实现了流动均匀性和热管理的同步改进。然而，碱性电解器中明显的气液耦合给界面解析和数值模型构建带来了相当大的挑战。值得注意的是，Liu等人[25]建立了一个CFD-MOGA耦合框架，用于优化水产养殖池塘，为通过深度CFD算法集成解决复杂的多物理优化问题提供了参考范例。尽管如此，将先进优化算法与气液多相CFD模型相结合的工作仍然有限。系统性的优化框架，用于解决AWE中氢生产的气泡传输、温度场演化和反应动力学问题仍然缺乏。这仍然是氢能领域亟需关注的科学挑战。
尽管取得了这些进展，但仍然缺乏一个将高保真多相CFD与高效多目标优化相结合的系统框架。对于具有新相生成的系统（如电解器中的OER和HER），需要仔细考虑多相相互作用。本研究中使用的欧拉-欧拉框架已经为此类应用得到了验证。例如，Zarghami等人[26]使用类似的方法成功应用CFD模型模拟了碱性水电解器中的多相流动，展示了其捕捉关键现象（包括气泡引起的湍流）的能力。在此基础上，我们的模型通过用户定义函数（UDFs）纳入了依赖于电流密度的气体生成源项，使得电化学驱动的相变过程模拟更加符合物理现实。
为了解决这些空白，构建了一个基于欧拉-欧拉多相框架的三维CFD模型，以准确捕捉AWE中的气液相互作用和耦合传输现象。使用CCD在设计空间内生成模拟样本。根据所得数据，构建了替代模型，并与多目标遗传算法（MOGA）相结合，以同时优化速度均匀性系数（γ）和温度标准差（σ），从而实现对流动和热场的协调控制。这种以性能为导向的建模和优化框架为碱性电解器的设计提供了强大的数字工具集，并支持其在绿色氢系统中的可扩展应用。
