Обновление модуля Аккумуляторы и топливные элементы

Для пользователей COMSOL Multiphysics® версии 5.3 в модуле Аккумуляторы и топливные элементы добавлено новое граничное условие для цикла заряд-разряд, новые граничные условия для моделирования тонких слоев, а также новые физические интерфейсы для моделирования реагирующего потока в пористых средах и переноса химических веществ в трещинах. Подробнее ознакомиться с содержанием обновления модуля Аккумуляторы и топливные элементы можно ниже.

Внутреннее граничное условие Ion-Exchange Membrane (Ионно-обменная мембрана) в интерфейсе Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck (Третичное распределение тока, уравнение Нернста — Планка)

Новый граничный узел Ion-Exchange Membrane (Ионно-обменная мембрана) задает граничное условие, при котором поток ионов является непрерывным, а потенциал электролита является разрывным и описывается равновесием Доннана. Это условие обычно используется в электрохимических ячейках, содержащих как свободные электролиты, так и ионно-обменные мембраны, например, в задачах диализа. Изменение потенциала Доннана на границе рассчитывается автоматически из концентраций заряженных ионов на каждой стороне границы.

График потенциала электролита для проточного ванадиевого редокс-аккумулятора. Потенциал в электролите внутри проточного ванадиевого редокс-аккумулятора. Видны скачки потенциала на границах между электролитом и ионно-обменной мембраной. Потенциал в электролите внутри проточного ванадиевого редокс-аккумулятора. Видны скачки потенциала на границах между электролитом и ионно-обменной мембраной.


Путь к модели Vanadium Redox Flow Battery (Проточный ванадиевый редокс-аккумулятор) с обновлениями в Библиотеке приложений:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Flow_Batteries/v_flow_battery

Новые модели сохранения заряда в интерфейсе Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck (Третичное распределение тока, уравнение Нернста — Планка)

В интерфейсе Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck (Третичное распределение тока, уравнение Нернста — Планка) теперь поддерживаются четыре разные модели сохранения заряда: электронейтральная, водная электронейтральная, модель фонового электролита и модель Пуассона.

Узел Тонкий электродный слой

Новый узел Thin Electrode Layer (Тонкий электродный слой) подходит для моделирования тонкой пластины из изолирующего или резистивного материала, размещенной на внутренней границе электролитической области. Этот узел может использоваться в качестве альтернативы отрисовке фактической области слоя в геометрии модели, что позволяет упростить построение сетки и сократить время вычисления, особенно в трехмерных моделях. Тонкий электродный слой может использоваться для моделирования, например, контактного сопротивления между двумя электронными проводниками. Слой может быть задан как изолирующий или резистивный.

Тонкий слой электролита

Узел Thin Electrolyte Layer (Тонкий слой электролита) определяет тонкий слой электролита на внутренней границе между двумя областями электролита. С помощью этого узла можно заменить отрисовку фактической области слоя в геометрии модели, что позволит значительно упростить построение сетки и сократить время вычисления. Узел может описывать диэлектрическую, резистивную и ионно-обменную мембраны. Он заменяет узел Thin Insulating Layer (Тонкий изолирующий слой), который использовался в ранних версиях.

Условия цикла заряд-разряд

Для задания периодической нагрузки при моделировании нестационарных процессов, в которых переключение между зарядом и разрядом управляется напряжением или током ячейки, можно использовать граничное условие Charge Discharge Cycling (Цикл заряд-разряд). Этот узел, например, может использоваться для циклов постоянный ток / постоянное напряжение (CCCV) при моделировании аккумуляторов. Узел Charge-discharge cycling (Цикл заряд-разряд) также доступен в качестве граничного условия в узле Electrode Surface (Поверхность электрода), а также в качестве режима работы в интерфейсе Single Particle Battery (Одночастичная модель аккумулятора).

График из учебной модели в модуле Аккумуляторы и топливные элементы. Ток и потенциал во время цикла заряда-разряда (постоянный ток — постоянное напряжение) литий-ионного аккумулятора. Из Библиотеки приложений модуля Аккумуляторы и топливные элементы. Ток и потенциал во время цикла заряда-разряда (постоянный ток — постоянное напряжение) литий-ионного аккумулятора. Из Библиотеки приложений модуля Аккумуляторы и топливные элементы.

Условие для узла Разъем цепи

Можно использовать узел Circuit Terminal (Разъем цепи) на границе, чтобы указать связь с узлом External I Vs. U (Внешний ток в зависимости от напряжения) в интерфейсе Electrical Circuit (Электрическая цепь) модуля AC/DC. Условие Circuit Terminal (Разъем цепи) также доступно в качестве граничного условия в узле Electrode Surface (Поверхность электрода), а также в качестве режима работы в интерфейсе Single Particle Battery (Одночастичная модель аккумулятора). Это позволяет включать высокоточные модели аккумуляторов в модели электрических цепей.

Новый интерфейс Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Моделирование уплотненных слоев, монолитных реакторов и других каталитических гетерогенных реакторов существенно упрощается благодаря новому мультифизическому интерфейсу Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористых средах). Он задает диффузию, конвекцию, миграцию и реакцию химических веществ для потока в пористой среде, не требуя устанавливать отдельные интерфейсы и связывать их. Мультифизический интерфейс автоматически объединяет все взаимные связи и физические интерфейсы, необходимые для моделирования гетерогенного катализа, а также потока в пористых средах и переноса растворенных или концентрированных химических веществ.

Поскольку этот мультифизический интерфейс дополняет аналогичный мультифизический интерфейс для ламинарного и турбулентного потока, у вас есть возможность переключать или определять новые взаимные связи для других типов моделей потока без необходимости переопределения и настройки нового интерфейса для задействованных физических явлений. В окне настроек можно выбрать тип моделируемого потока, а также перенос химических веществ без потери каких-либо определенных свойств материала или кинетики реакции. Это значит, что можно сравнивать различные структуры реактора или моделировать поток в свободной или пористой среде в одном реакторе даже при подключении двух режимов (см. изображение).

Модель микрореактора с пористыми слоями, созданная в интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Модель микрореактора с пористыми слоями, показывающая изоповерхности концентрации реагента, вводимого через вертикальную иглу в свободный поток, содержащий второй реагент, который затем проталкивается через область монолитной каталитической пористой среды реактора. Модель можно полностью задать в новом мультифизическом интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Модель микрореактора с пористыми слоями, показывающая изоповерхности концентрации реагента, вводимого через вертикальную иглу в свободный поток, содержащий второй реагент, который затем проталкивается через область монолитной каталитической пористой среды реактора. Модель можно полностью задать в новом мультифизическом интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Путь к файлу с примером использования нового интерфейса Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде) в Библиотеке приложений :
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

Новый интерфейс Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещинах)

Глубина трещин мала по сравнению с их длиной и шириной. Из-за большого различия значений глубины, длины и ширины сложно выполнить построение сетки для трещин, а значит, сложно моделировать перенос химических веществ в трещинах. Новый интерфейс Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещинах) рассматривает трещину как оболочку, где для построения поверхностной сетки используются только поперечные размеры трещины.

Интерфейс позволяет определить среднюю глубину трещины, а также пористость в тех случаях, когда трещина имеет пористую структуру. Для переноса химических веществ интерфейс позволяет определять модели эффективной диффузии для учета эффектов пористости. Конвективный перенос может быть связан с интерфейсом Thin-Film Flow (Тонкопленочный поток) или с пользовательскими уравнениями, определяющими поток жидкости в трещине. Кроме того, можно определить химические реакции в трещинах, на их поверхностях или в пористой среде, в которой содержится трещина.

Пример, иллюстрирующий перенос растворенных веществ вдоль незначительно изогнутой поверхности трещины. Перенос растворенных веществ вдоль слабо изогнутой поверхности трещины. Изогнутая поверхность представлена извилистым углублением, в котором происходит перенос химических веществ. Перенос растворенных веществ вдоль слабо изогнутой поверхности трещины. Изогнутая поверхность представлена извилистым углублением, в котором происходит перенос химических веществ.

Поверхности трещин в интерфейсе Transport of Diluted Species in Porous Media (Перенос растворенных веществ в пористой среде)

При переносе в пористой трехмерной структуре, содержащей трещины, новое граничное условие Fracture (Трещина) позволяет моделировать перенос в тонких трещинах без необходимости построения для них сетки как для трехмерных объектов. Граничное условие Fracture (Трещина) включено в интерфейс Transport of Diluted Species in Porous Media (Перенос растворенных веществ в пористой среде) (см. изображение) и имеет настройки, аналогичные настройкам интерфейса Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещине), который описан выше. Обеспечивается плавный переход между моделями потока жидкости и переноса химических веществ в трехмерной пористой среде и в трещине.

На изображении ниже показано поле концентрации в модели реактора с пористыми слоями. В модели для перекрученной трещины «просачивание» реагентов внутрь пористого катализатора (слева направо) происходит быстрее, чем перенос в пористой среде. Это происходит потому, что значение средней пористости для поверхности трещины значительно выше, чем для окружающего пористого катализатора, что приводит к более высокой скорости массообмена.

Модель поверхности трещины, созданная в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Контурная диаграмма концентрации в трехмерном объеме реактора и поверхностная концентрация на поверхности трещины. Ускоренный массообмен в трещине способствует улучшению проникновения непрореагировавших молекул внутрь каталитического слоя (справа налево) Видно, что концентрация практически одинакова по всей поверхности трещины и изменяется от 0,63 до 0,62 моль/м3. Контурная диаграмма концентрации в трехмерном объеме реактора и поверхностная концентрация на поверхности трещины. Ускоренный массообмен в трещине способствует улучшению проникновения непрореагировавших молекул внутрь каталитического слоя (справа налево) Видно, что концентрация практически одинакова по всей поверхности трещины и изменяется от 0,63 до 0,62 моль/м3.

Новый интерфейс Electrophoretic Transport (Электрофоретический перенос)

Новый интерфейс Electrophoretic Transport (Электрофоретический перенос) может использоваться для исследования переноса слабых кислот, оснований и амфолитов в водных растворах. Физический интерфейс обычно используется для моделирования различных режимов электрофореза, таких как зонный электрофорез, изотахофорез, изоэлектрическая фокусировка и электрофорез методом подвижной границы, но он применим к любой водной системе, включающей множественные кислотно-щелочные состояния равновесия.

 
Два четко разделенных пика на графике, иллюстрирующем разделение смеси двух белков при зонном электрофорезе.