锌氧化银电池注液激活系统仿真模拟

2017-10-13余江洪赵书利

船电技术 2017年6期

关键词：点火器气阀阀门

彭政，余江洪，赵书利

锌氧化银电池注液激活系统仿真模拟

彭政，余江洪，赵书利

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉，430064）

利用ANSYS Fluent软件对锌氧化银一次电池注液激活系统进行模拟分析，在三种不同特性的点火器匹配注液激活系统条件下，模拟计算各个阀门能否正常开启、开启时间以及开启的顺序。分析计算得出各个阀门开启的时间，能够很好的指导注液系统设计。

锌氧化银一次电池注液激活系统 CFD模拟

0 引言

锌氧化银电池是20世纪40年代初发展起来的一种化学电源，与其他化学电源相比，具有比能量高、比功率大、放电电压平稳、高倍率放电能力强等优点[1]，广泛应用于体积和重量要求苛刻的军事、国防及尖端科技领域，作通信、照明、仪器仪表直流电源，以及特殊装备的动力电源[2]。

锌氧化银一次电池，电解液贮存在储液罐中，配有注液激活系统，电极和电解液在储存期间不直接接触，因而能较长时间保存而不失效，电池需要使用时，将电解液急速注入，使电池“激活”，在极短时间内产生所需要的电能[3]。

目前，飞行器上一次电源多采用自动激活锌银贮备电池。作为飞行器能量供给的重要设备，锌银电池的安全性能在很大程度上决定飞行器能否成功发射，因此必须充分考虑锌银电池使用过程中各种不安全因素的影响[4]。技术的日益发展对锌银电池提出了更苛刻的要求，如更高的比能量、比功率，更平稳的放电电压和更高的安全可靠性等[5]。所以锌氧化银电池有着复杂的电解液注液系统，涉及到电解液均匀分配、流体阻力与管道通径、注液时间等。注液均匀性对电池性能影响很大，局部性能稍有不均，影响较大，所以锌氧化银电池须保证注液可靠性高、一致性好。

采用CFD计算对锌银电池注液系统进行仿真，模拟注液激活系统中各个阀门的开启情况，分析在一定压力条件下，阀门能否开启，开启时间以及开启的顺序，以此利用理论计算模拟来指导注液系统的设计。

1 分析目的

利用ANSYS Fluent软件对电池注液激活系统进行模拟分析，在三种不同特性的点火器匹配注液激活系统条件下，模拟计算出各个阀门能否正常开启、开启时间以及开启的顺序。

1.1 注液系统相关参数

参考环境温度：15~45℃，参考压力：101325 Pa，电解液材料：30%的KOH溶液。

1.2 注液激活系统几何模型

注液激活系统为上中下三套阀门结构，每套阀门内又具有一个气阀和两个液阀。注液时，点火器点火产生的气体充满管道，当压力增大到一定程度时，推动阀门运动；当阀门运动到一定下止阀时，阀门完全开启，并停止运动。阀门阀芯位移为12 mm。

1.3 注液系统点火器参数

点火参数见表1。

表1 点火器参数

2 网格划分及边界条件设置

提取流体域，采用ICEM对模型进行网格划分。由于需要考虑阀门开启过程，会涉及到动网格，为了简化计算以及提高计算效率，对模型进行六面体网格划分，后续采用层铺算法进行动网格的更新。

图1 注液激活系统网格

采用密度基求解器，材料空气选用ideal-gas模型来描述密度的变化；湍流模型选择Standard K-ε湍流模型，基本形式简单，通用性和精度均较高，能够较好地适应工程中大部分复杂湍流流动；动网格模型选择层铺算法；使用UDF建立进口处气流的压力变化和温度变化函数以及各个阀门阀芯在压力驱动下的运动情况。

3 注液激活系统模拟

3.1 点火器1压力模拟

由图2阀门阀芯位移变化曲线可知，所有9个阀门在11 ms内均能全部开启。阀门开启的顺序依次为：上部气阀-上部左侧液阀-上部右侧液阀-中部右侧液阀-中部左侧液阀-下部右侧液阀-下部左侧液阀-中部气阀-下部气阀。

阀门压力变化情况：1）随着发生器内产生的气体增多，进入激活系统的气体增多，激活系统内的压力会逐渐升高。2）当阀门上作用的压力大于0.35 MPa时，阀门开始开启。3）阀门开启过程中，虽然进入空间的气体量一直增加，但阀门开启的空间也在增加，因此作用在阀门上的压力变化不会很大。4）阀门完全开启后，随着气体量的增加，阀门上的压力明显增加。5）最上面一套阀门距离发生器最近，因此产生的气体最先进入这一套阀门；中间以及下面的两套阀门，距离发生器较远，管道阻力会明显增加，以此开启时间会明显滞后。6）上部三个阀门的峰值压力可达1.45 MPa，中部注液阀门峰值压力可达1.2 MPa，下部气阀峰值压力可达0.45 MPa，都能够达到开启压力。

图2 阀门开启情况

图3 阀门压力变化过程

3.2 点火器2工况模拟

由图4阀门阀芯位移变化曲线可知，所有9个阀门在6.5 ms内均能全部开启。阀门开启的顺序依次为：上部气阀-上部左侧液阀-上部右侧液阀-中部右侧液阀-中部左侧液阀-中部气阀-下部右侧液阀-下部左侧液阀-下部气阀。

各个阀门的参数一致，只是点火器的峰值压力不同，从阀门压力变化图5可以得出工况2与工况1各个阀门的压力变化大致相同。上部三个阀门的峰值压力可达2.2 MPa，中部注液阀门峰值压力可达1.4 MPa，下部气阀峰值压力可达0.4 MPa，都能够达到开启压力。

图4 阀门开启情况

图5 阀门压力变化过程

3.3 点火器3压力模拟

由图6阀门阀芯位移变化曲线可知，所有9个阀门在6.8 ms内均能全部开启。阀门开启的顺序依次为：上部气阀-上部左侧液阀-上部右侧液阀-中部右侧液阀-中部左侧液阀-中部气阀-下部右侧液阀-下部左侧液阀-下部气阀。

各个阀门的参数一致，工况3点火器的峰值压力与工况2点火器的峰值压力接近，从阀门压力变化图7可以得出工况3与工况1和工况2各个阀门的压力变化大致相同。上部三个阀门的峰值压力可达2.25 MPa，中部注液阀门峰值压力可达1.35 MPa，下部气阀峰值压力在九个阀门中最低，可达0.4 MPa，都能够达到开启压力。