一种气体扩散层气液传输的预测方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体扩散层气液传输的预测方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池被认为是最具有前景的绿色能源装置，其中，气体扩散层一般使用碳纤维纸或碳纤维编织物以保证气体透过性和导电性；在燃料电池反应期间，反应气体(氧气)通过流道向气体扩散层、催化层依次输送，而电化学反应的反应产物水则以液滴的形式在来流气体的吹扫下经流道排出，以保证电池正常运行。然而，因为燃料电池一般在较低温度下工作，且反应气体具有较高的润湿度，所以在膜电极中会出现一种被称为“水淹”的现象，尤其是在阴极侧，水蒸气冷凝并堵塞气体扩散层的气体传输通道，极可能造成电池性能的衰退。
3.并且，在燃料电池堆装配过程，电堆两侧端板通常会被施加一定的预紧力以保证电堆的密封性及不同部件之间的良好接触，然而这种预紧力会引起气体扩散层不同程度的压缩和局部碳纤维断裂；尤其在双极板脊的位置，压缩变形更加严重，导致气体扩散层的孔隙率降低，影响气液传输，提高“水淹”现象发生的可能性，严重影响电化学反应效率，降低燃料电池性能。
4.不同装配条件下气体扩散层的局部孔隙率、疏水性不同，液滴排出的难度有所不同；而目前的预测模型无法准确预测给定装配条件下气体扩散层经历压缩和碳纤维断裂后的几何微结构，也无法实现对反应产物水的气液交互界面的有效追踪，导致无法真实地模拟不同装配条件下气体扩散层中的气液传输现象。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种气体扩散层气液传输的预测方法、系统、设备及介质，能够真实地模拟不同装配条件对气体扩散层中气液传输行为的影响，高效准确，鲁棒性好，计算精度高。所述技术方案如下：
6.一方面，本发明提供了一种气体扩散层气液传输的预测方法，包括：
7.获取气体扩散层压缩后的结构数据；
8.获取所述气体扩散层中目标流体的流场数据与配置信息；所述配置信息包括碰撞方程数据、迁移方程数据和流场边界数据；
9.根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，进行仿真处理，得到所述目标流体在所述气体扩散层中的平衡态仿真结果。
10.进一步地，所述获取气体扩散层压缩后的结构数据包括：
11.获取所述气体扩散层的初始结构数据；
12.获取压缩边界数据；所述压缩边界数据表征施加于所述气体扩散层的压缩条件；
13.根据所述压缩边界数据和所述初始结构数据，得到压缩后的所述结构数据。
14.进一步地，所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，进行仿真处理，得到所述目标流体在所述气体扩散层中的平衡态仿真结果包括：
15.根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果；所述动态中间仿真结果包括所述目标流体的接触角；
16.在所述接触角满足预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，得到所述平衡态仿真结果。
17.进一步地，所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果包括：
18.根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到所述目标流体的相互作用力；
19.根据所述目标流体的所述相互作用力，得到所述目标流体对应的所述接触角。
20.进一步地，所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到所述目标流体的相互作用力包括：
21.根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到所述目标流体的宏观量；所述宏观量包括宏观密度、宏观速度、宏观压强与宏观温度；
22.根据所述宏观量，得到所述相互作用力。
23.进一步地，在所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果之后，所述方法还包括：
24.在所述接触角不满足所述预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，更新所述流场数据，并返回执行所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果。
25.进一步地，所述在所述接触角不满足所述预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，更新所述流场数据，并返回执行所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果包括：
26.在所述接触角的变化量大于预设阈值的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，更新所述流场数据，并返回执行所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果；所述变化量根据更新所述流场数据前所述动态中间仿真结果对应的所述接触角与更新所述流场数据后所述动态中间仿真结果对应的所述接触角之间的差值得到。
27.另一方面，本发明提供了一种气体扩散层气液传输的预测系统，包括：
28.第一获取模块，用于获取气体扩散层压缩后的结构数据；
29.第二获取模块，用于获取所述气体扩散层中目标流体的流场数据与配置信息；所述配置信息包括碰撞方程数据、迁移方程数据和流场边界数据；
30.仿真模块，用于根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，进行仿真处理，得到所述目标流体在所述气体扩散层中的平衡态仿真结果。
31.另一方面，本发明还提供了一种设备，包括以上所述的气体扩散层气液传输的预测系统。
32.另一方面，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由处理器加载并执行以实现以上
任一项所述的气体扩散层气液传输的预测方法。
33.实施本发明，具有如下有益效果：
34.1、本发明通过将气体扩散层压缩后的结构数据与目标流体的流场数据结合，能够真实地模拟出不同装配条件对气体扩散层结构的改变，并在充分考虑气体扩散层在装配压缩过程中的压缩变形和局部碳纤维断裂情况的前提下，进一步根据结构数据准确地对压缩后气体扩散层中气液两相的传输行为进行数值模拟，从而真实地模拟不同装配条件对气体扩散层中气液传输行为的影响，高效准确，鲁棒性好，计算精度高，对优化燃料电池的装配条件和改善膜电极“水淹”现象具有重要意义。
35.2、本发明采用近场动力学方法，以压缩边界数据对初始结构数据进行更新，能够准确预测不同的装配条件对该气体扩散层微观结构的影响，高效快速，计算精度高，也有利于提升后续预测气液传输行为的准确性与可靠性。
36.3、本发明结合格子boltzmann方法的伪势多组分多相lbm模型，对压缩后气体扩散层中的气液传输现象进行数值预测，模拟氧气、水蒸气和液滴在气体扩散层中的运动情况，并预测“水淹”现象的发生，仿真精确度高，鲁棒性好，为优化燃料电池装配条件和气体扩散层的气液传输性能提供极大的助力。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
38.图1为本发明的一个可能的实施方式中气体扩散层气液传输的预测方法的逻辑结构图；
39.图2为本发明提供的一种结构数据的获取方法的逻辑结构图；
40.图3为本发明中气体扩散层的微观扫描图像的示例图；
41.图4为本发明中仿真气体扩散层中碳纤维的压缩示意图；
42.图5为本发明提供的一种仿真处理方法的逻辑结构图；
43.图6为两种组分之间接触角的示意图；
44.图7为本发明提供的一种接触角的计算方法的逻辑结构图；
45.图8为本发明提供的一种相互作用力的计算方法的逻辑结构图；
46.图9为本发明的一个可能的实施方式中流场内格点的示意图；
47.图10为本发明的一个可能的实施方式中气体扩散层气液传输的预测系统的结构示意图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等
是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了下述图示或下述描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
50.本实施例针对现有技术中，难以真实模拟不同装配条件对气体扩散层的影响、无法准确描述气液两相在微结构中的传输行为这一现状，提供了一种气体扩散层气液传输的预测方法，通过将近场动力学与格子boltzmann方法的伪势多组分多相lbm模型相结合，实现气体扩散层固体结构与流体的联合仿真，能够仿真气液两相流体在装配压缩后的气体扩散层中的流动；该气体扩散层气液传输的预测方法还能够应用于本发明实施例的气体扩散层气液传输的预测系统，首先获取气体扩散层压缩后的结构数据，该结构数据基于近场动力学对气体扩散层的初始结构数据进行更新得到；之后获取气体扩散层中目标流体对应的流场数据与配置信息，其中，配置信息包括碰撞方程数据、迁移方程数据和流场边界数据；最后根据该流场数据、结构数据与配置信息，基于伪势多组分多相lbm模型进行仿真处理，模拟气液两相目标流体的演化分离，得到目标流体在气体扩散层中的平衡态仿真结果，模拟过程准确高效，计算精度高，鲁棒性好，能够反映出不同的装配条件对气体扩散层中气液两相流体传输性能的影响，进而为燃料电池的性能优化提供助力。
51.下面对本发明实施例的技术方案进行详细介绍，参考说明书附图1，该方法包括：
52.s101，获取气体扩散层压缩后的结构数据。
53.其中，结构数据是一种仿真结构数据，该仿真数据基于近场动力学对气体扩散层进行演化仿真得到，具体参阅202210500413.0号专利；该结构数据表征气体扩散层经过装配压缩后的仿真结构，与气体扩散层经过装配压缩后的真实微观结构相匹配，使得该结构数据更为准确可靠，接近真实装配条件下气体扩散层的微观结构，进而有利于提升后续仿真处理的精度与鲁棒性。
54.在一个可能的实施方式中，该结构数据包括气体扩散层的几何仿真数据，表征真实的气体扩散层经过装配压缩后的长度、宽度与高度，能够用于在后续流场中构建平直固体边界；该结构数据还包括气体扩散层的孔隙率仿真数据与碳纤维断裂程度仿真数据，通过孔隙率仿真数据与碳纤维断裂程度仿真数据反映装配压缩过程对气体扩散层的多孔介质产生的动态变形与材料损伤，得到无限接近于真实气体扩散层装配压缩后的结构数据，有利于提升计算精度。
55.在另一个可能的实施方式中，该结构数据包括模型图像数据，能够清晰且直观地显示装配压缩后的仿真结构，可视化程度高，有利于在仿真研发过程中及时发现问题，对仿真过程进行修正，从而减少无用计算与错误率，提升仿真可靠性，加快研发效率。
56.s103，获取所述气体扩散层中目标流体的流场数据与配置信息；所述配置信息包括碰撞方程数据、迁移方程数据和流场边界数据。
57.在本实施例中，采用格子boltzmann方法的伪势多组分多相lbm模型来对反应产物水的气液交互界面进行有效追踪，lbm模型包括shan-chen伪势多组分多相lbm模型(简称伪势模型)，该伪势模型通过引入相互作用势来表现不同组分之间的微观相互作用力，在原碰
撞方程中加入势函数的源项来模拟表面张力并实现不同组分和相之间的自动演化分离，而不需要界面的捕捉和追踪，能够更好地反应了真实的物理性质；此外，该lbm模型易于进行并行计算，也易于求解复杂边界条件和多相多组分流体，从而能够提升本发明的预测方法的计算效率与计算精度。
58.在该步骤中，可以首先根据配置信息建立流场对应的初始流场模型，以便于将结构数据对应的几何结构作为固体边界，来模拟气液两相的流动情况，即通过配置信息能够初始化流场模型；其中，配置信息除了包括碰撞方程数据、迁移方程数据和流场边界数据之外，还包括初始流场数据，表示对应的目标流体在压缩后的气体扩散层所对应的流场中的初始物理状态。
59.在一个可能的实施方式中，首先配置各种配置信息；燃料电池工作时，气体扩散层中具有多种不同的流体，包括气相的氧气与水蒸气，还包括液相的反应产物水(或者液滴)；则在配置时，配置两种目标流体所含组分σ，以格点(或网格点)描述流场中的组分，将流场区域内液滴的初始半径配置为50格子单位，即r0＝50格子单位，液滴内部密度为0.25g/cm3，外部密度为0.045g/cm3，并且每个流体组分σ都满足lbm演化方程：
[0060][0061]
其中，是组分σ的密度分布函数；为多松弛时间模型的碰撞项，表征该组分受到碰撞而产生的密度分布变化；是速度空间的外力项，表征该组分受到外力而产生的密度分布变化；e
α
是离散速度矢量，在d2q9格子模型下为：
[0062][0063]
其中，c＝δx/δt为格子常量，δx为网格步长，δt为时间步长，且x和y方向的网格步长相同，格子声速
[0064]
则通过配置流场的求解范围、初始流体分布函数(即格子声速)、两种目标流体组分的初始密度、两种目标流体组分的初始速度、流体节点类型(气相或液相)，能够对流场中不同区域进行不同类型的初始设定，以满足多种仿真测试需求，灵活性高，适用范围广。
[0065]
并且，通过该lbm演化方程与初始流场数据，能够得到下一时间步该目标流体组分的密度分布函数，即在该s103步骤中，流场数据是实时变化的，该流程数据能够根据配置信息，经过仿真处理更新得到。
[0066]
另外，流场边界数据表征对多种目标流体所处流场的边界约束条件，以约束目标流体的运动行为；在一个可能的实施方式中，将流场左右边界配置为周期边界，即从边界一侧离开的流体粒子将会在下一时间步从模拟区域的另一侧边界重新进入流场；当采用周期性边界格式时，流场内的质量和动量在原理上是严格守恒的。
[0067]
在一个可能的实施方式中，流场下边界为固体壁面，该边界配置为非滑移边界，采用标准反弹格式，使得粒子与壁面碰撞后速度逆转；在该标准反弹格式中，固体边界位于格
点上，边界上的流体格点上不执行碰撞操作，碰撞后的分布函数来自于相邻格点的碰撞后分布函数。
[0068]
在一个可能的实施方式中，流场上边界采用非平衡外推式，将边界节点上的分布函数分解为平衡态部分和非平衡态部分，根据具体的边界条件构造新的平衡态分布，而非平衡态部分则使用外推法确定。
[0069]
s105，根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，进行仿真处理，得到所述目标流体在所述气体扩散层中的平衡态仿真结果。
[0070]
在该步骤中，仿真处理用于仿真目标流体组分的迁移和碰撞过程，即仿真目标流体在压缩后气体扩散层中的运动演化行为，最后求解得到相应的宏观变量，即为平衡态仿真结果；其中，迁移指粒子在一个时间步内从一个节点运动到相邻节点，碰撞指在质量、动量和能量守恒的前提下流体粒子发生碰撞并改变粒子分布函数fα
→
fα
′
。
[0071]
初始化后，流场内的目标流体粒子在格点的速度离散方向上迁移，并在格点处发生碰撞迁移步：
[0072]
迁移步：f
ασ
(x+e
α
δt，t+δt)＝f
ασ
′
(x,t)
[0073]
碰撞步：f
ασ
′
(x,t)＝f
ασ
(x，t)+ω
α
(f)
[0074]
其中，x表示当前的计算格点，x-e
α
δt代表沿离散速度方向e
α
的上一个格点，x+e
α
δt代表沿离散速度方向e
α
的下一个格点。在迁移步中，格点x只与其相邻格点交换信息。
[0075]
该仿真处理是一种循环迭代的处理方式，平衡态仿真结果表征目标流体在压缩后的气体扩散层中流动至稳定的状态，例如，当仿真结果显示液滴不再有剧烈的形变，且在固体表面仅有微弱的脉动，直至静止在固体表面，此时代表目标流体演化至平衡状态(或稳定状态)，即可输出该平衡态仿真结果；则通过该预测方法真实地预测气液两相在压缩后气体扩散层中的流动行为和传输特性，能够基于该平衡态仿真结果进行分析和研究，从而为气体扩散层的优化提供有用参考。
[0076]
s103～s105步骤结合了格子boltzmann方法的shan-chen伪势多组分多相模型，对压缩后气体扩散层中的气液传输现象进行数值预测，模拟氧气、水蒸气和液滴在气体扩散层中的运动情况，并预测“水淹”现象的发生，仿真精确度高，鲁棒性好，为优化燃料电池装配条件和气体扩散层的气液传输性能提供极大的助力。
[0077]
具体地，在一个可能的实施方式中，如图2所示，所述获取气体扩散层压缩后的结构数据，即s101步骤包括：
[0078]
s202，获取所述气体扩散层的初始结构数据。
[0079]
其中，该初始结构数据包括气体扩散层这一实物材料真实的、各向异性的几何形貌数据，可以采用扫描成像获取气体扩散层的几何形貌数据，以实现对气体扩散层多孔介质的真实准确模拟，可靠性高；在一个可能的实施方式中，扫描成像可以选择同步辐射x射线显微成像，也可以选择电镜扫描成像，本发明对此不做限定，根据不同的实际情况可以选择不同的扫描成像方式。
[0080]
在一个可选的实施方式中，获取初始结构数据时，断层扫描气体扩散层，得到该气体扩散层的微观扫描图像数据；再对该微观扫描图像数据进行重构处理，得到初始结构数据。
[0081]
如图3所示，该微观扫描图像数据包括气体扩散层的多个二维断层扫描图像数据，
然后根据多个二维断层扫描图像数据进行重构处理，得到与气体扩散层相对应的初始结构数据；在本实施例中，重构处理可以选择为灰度值等重构算法；此外，在一个可能的实施方式中，在进行重构处理之前，还可以对气体扩散层的微观扫描图像数据进行预处理，该预处理可以包括降噪与去阴影等处理方式，以使得微观扫描图像数据更加可靠，有利于提升初始结构数据的精确性。
[0082]
s204，获取压缩边界数据；所述压缩边界数据表征施加于所述气体扩散层的压缩条件。
[0083]
对于气体扩散层，其在装配过程中实际受到的预紧力来自燃料电池内部的结构，例如与气体扩散层相邻的催化层和双极板；则在该步骤中，根据近场动力学、亦即气体扩散层内部各离散点受到的近场作用进行仿真，通过预先配置的压缩边界数据表征施加于气体扩散层的压缩条件，来模拟预紧力施加于气体扩散层时，气体扩散层受到的近场作用；在一个可能的实施方式中，该压缩边界数据包括气体扩散层边界处的位移约束参数、速度约束参数与外部荷载约束参数，以有效仿真施加于边界的压缩条件(约束条件，即预紧力)传递至该气体扩散层中的过程。
[0084]
s206，根据所述压缩边界数据和所述初始结构数据，得到压缩后的所述结构数据。
[0085]
如图4所示，在该步骤中，参阅202210500413.0号专利，基于近场动力学，能够根据压缩边界数据与初始结构数据，计算得到仿真结构中的近场作用力，再根据近场作用力循环迭代，计算压缩后仿真结构的孔隙率与碳纤维断裂程度，不断更新，得到压缩后的结构数据，高效准确，鲁棒性好。
[0086]
近场动力学方法是一种基于局部相互作用力的固体模拟方法，这一方法在表达物质内部相互作用时引入了非局部的思想，即假设空间中任一物质点与其周围空间一定半径范围内的其他物质点之间存在相互作用；由于该方法将传统连续固体运动的偏微分方程形式转变为积分形式，其从原理上摆脱了传统方法在非连续问题上的局限，即可以在不引入额外假设的情况下直接对多孔介质的变形和碳纤维的断裂展开数值模拟；则采用近场动力学方法对气体扩散层多孔介质在燃料电池装配过程中的变形模拟，能够计算压缩后多孔介质的孔隙率和碳纤维的损伤程度。
[0087]
在一个可能的实施方式中，该步骤具体还可以包括：
[0088]
根据所述压缩边界数据和所述初始结构数据，得到物质点之间键的拉伸量；
[0089]
根据所述键的拉伸量，计算所述物质点受到的近场作用力；
[0090]
根据所述近场作用力，计算所述物质点的位移，以更新所述初始结构数据，得到所述结构数据。
[0091]
其中，物质点是一种对实际物体的科学抽象，该物质点的集合代表气体扩散层的微观结构；键是近场动力学理论中引入的一种概念，表达了一定近场范围内两个物质点之间的关联性，也可以理解为在一定近场范围内两个物质点之间的相互作用，在本实施例中，该键可以通过两个物质点在几何上的相对位置向量体现。
[0092]
而键的拉伸量代表键的变形情况，则能够根据两个物质点之间的相对位置来计算近场作用力；进一步地，物质点受到近场作用力出现移动趋势，能够再根据近场作用力计算该物质点的位移，从而得到该物质点下一时刻的位置；气体扩散层在装配压缩过程中的变形主要体现在各个物质点位置的变化上，则能够通过各个物质点受到近场动力学而产生的
位移与初始数据结合，得到气体扩散层压缩后的结构数据(主要是几何仿真数据)，计算精度高，可靠性好。
[0093]
在一个可能的实施方式中，在所述得到物质点之间键的拉伸量之后，s206步骤还包括：
[0094]
根据所述键的拉伸量，计算装配压缩后的所述气体扩散层的碳纤维断裂程度。
[0095]
其中，根据键的拉伸量、即键的变形情况，能够得到键的状态(断裂或者未断裂)，之后根据键的状态，计算该物质点的断裂键占比、即单个物质点与周围领域范围内所有物质点之间的键中，断裂键占所有键的总占比；而气体扩散层总的破坏量是各个物质点的局部损伤的总和，则将各个物质点的断裂键占比相加，即可得到所有物质点总的碳纤维断裂程度。
[0096]
在一个可能的实施方式中，s206步骤还包括：
[0097]
根据所述几何仿真数据，计算装配压缩后的所述气体扩散层的孔隙率。
[0098]
在本实施例中，根据几何仿真数据能够得到压缩后气体扩散层的仿真体积，从而根据体积变化计算得到孔隙率，为后续仿真处理提供更精确的数值支持，有利于提升该预测方法的仿真精度与鲁棒性。
[0099]
s101步骤采用了近场动力学方法，以压缩边界数据对初始结构数据进行更新，能够准确预测不同的装配条件对该气体扩散层微观结构的影响，高效快速，计算精度高，也有利于提升后续预测气液传输行为的准确性与可靠性。
[0100]
具体地，在一个可能的实施方式中，如图5所示，所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，进行仿真处理，得到所述目标流体在所述气体扩散层中的平衡态仿真结果，即s105步骤包括：
[0101]
s501，根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果；所述动态中间仿真结果包括所述目标流体的接触角。
[0102]
s503，在所述接触角满足预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，得到所述平衡态仿真结果。
[0103]
如前所述，仿真处理是一个循环迭代的处理过程，在得到平衡态仿真结果之前，还会得到多个动态中间仿真结果，该动态中间仿真结果表征在对应的一个时间步上，目标流体在气体扩散层中的动态流动状态，并且是目标流体还未达到平衡态时的动态流动状态，反应了目标流体的流动趋势，则每一个时间步对应一种动态中间仿真结果，两个时间步各自对应的动态中间仿真结果之间的变化代表目标流体在两个时间步之间的演化迁移；而当目标流体演化至平衡态时，此时与该时间步对应的一个动态中间仿真结果即为平衡态仿真结果，能够真实地反映出目标流体在压缩后气体扩散层中的最终分布情况，从而为优化燃料电池提供有用的参考。
[0104]
其中，动态中间仿真结果包括目标流体在当前时间步下对应的接触角，该接触角能够在一定程度上体现目标流体的动态流动状态是否达到平衡态，则当接触角满足预设条件时，判断此时目标流体的演化过程已经达到平衡态，将该接触角对应的动态中间仿真结果输出为平衡态仿真结果。
[0105]
如图6所示，接触角是指在固、液、气三相交界处所作的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度；而润湿过程与界面张力有关，则该接触角可以通
过界面张力计算得到，假设流场中的目标流体包括第一目标流体与第二目标流体，则计算第一目标流体的接触角所用的young’s方程为：
[0106][0107]
其中，σ
s,1
是第一目标流体与固体表面之间的界面张力值，σ
s,2
是第二目标流体与固体表面之间的界面张力值，σ
1,2
是第一目标流体与第二目标流体之间的界面张力值。
[0108]
具体地，在一个可能的实施方式中，如图5所示，在所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果之后，即在s501之后，所述方法还包括：
[0109]
s505，在所述接触角不满足所述预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，更新所述流场数据，并返回执行所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果。
[0110]
接触角不满足预设条件，说明目标流体在压缩后的气体扩散层中的流动状态还未达到平衡态，目标流体的物理状态还会继续发生变化，即动态中间仿真结果还会随时间步而变化相同，流场数据也会随着时间步而变化；则在得到接触角不满足预设条件这一判断结果后，根据s501步骤中计算得到的动态中间仿真结果，对流场数据进行更新，得到更新后的流场数据；例如，以初始流场数据为例，初始流场数据对应的时间步为初始时间步，经过第一轮迭代计算，得到距离初始时间步一个时间步长的下一时间步对应的流场数据，再将该流场数据作为下一轮循环迭代计算的初始流场数据，以此类推，得到所求时间步对应的流场数据。
[0111]
而每次得到更新后的流场数据，即可根据更新后的流场数据，重复执行s501步骤，使仿真的目标流体继续按照配置的迁移方程和碰撞方程进行演化，得到更新后的流场数据对应的动态中间仿真结果，并根据更新后的动态中间仿真结果中的接触角，继续与预设条件进行比较判断，再重复执行s503或者s505步骤，完成循环迭代过程，不断更新动态中间仿真结果。
[0112]
具体地，在一个可能的实施方式中，s505步骤包括：
[0113]
在所述接触角的变化量大于预设阈值的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，更新所述流场数据，并返回执行所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果。
[0114]
其中，接触角变化量根据更新流场数据前动态中间仿真结果对应的接触角与更新流场数据后动态中间仿真结果对应的接触角之间的差值得到，也就是说，将相邻两轮循环迭代计算过程得到的接触角进行比较，得到两个接触角之间的差值，即为接触角的变化量。
[0115]
当相邻两个接触角之间的差值小于等于预设阈值时，认为此时接触角满足预设条件，代表液滴不再有剧烈的形变，且在物体表面来回有微弱的脉动，直至静止在物体表面，达到相对稳定的平衡态，则执行s503步骤；当相邻两个接触角之间的差值大于预设阈值时，认为此时接触角不满足预设条件，代表液滴还会进行剧烈的形变，流场中的目标流体还没有演化到平衡态，则执行s505步骤，继续进行循环迭代。
[0116]
具体地，在一个可能的实施方式中，如图7所示，所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果，即s501步骤包括：
[0117]
s701，根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到所述目标流体的相
互作用力。
[0118]
s703，根据所述目标流体的所述相互作用力，得到所述目标流体对应的所述接触角。
[0119]
具体地，在一个可能的实施方式中，如图8所示，所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到所述目标流体的相互作用力，即s701步骤包括：
[0120]
s802，根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到所述目标流体的宏观量；所述宏观量包括宏观密度、宏观速度、宏观压强与宏观温度。
[0121]
s804，根据所述宏观量，得到所述相互作用力。
[0122]
s701～s703步骤与s802～s804步骤均为单轮迭代过程中的一部分，接触角能够通过界面张力计算得到，而s701步骤中计算得到的相互作用力即为界面张力；进一步地，相互作用力又能够通过宏观量计算得到，则通过结构数据、流场数据与配置信息，计算得到宏观量，再根据宏观量计算得到相互作用力，从而最终计算得到接触角，计算精度高。
[0123]
其中，宏观量是一种仿真数据，是目标流体微观特征的宏观体现，表征真实目标流体在气体扩散层中的宏观物理量，包括宏观密度、宏观速度、宏观压强与宏观温度；如图9所示，流场内每个格点由9个方向组成，宏观密度即为9个方向的分布函数之和，根据流场数据能够得到各个方向上的分布函数，从而得到宏观密度，该目标流体、即组分σ的宏观密度ρ
σ
计算公式为：
[0124][0125]
其中，f
a,σ
为s103步骤中的组分σ的密度分布函数。
[0126]
而每个格点的速度v由该格点9个方向上的分布函数之和除以该格点的密度得到，速度v的求解方程为：
[0127][0128]
其中，f
c,σ
是流体间的相互作用力，f
ads,σ
是流固间相互作用力。
[0129]
具体地，相互作用力包括目标流体之间的相互作用力(简称流体间相互作用力，f
c,σ
)，还包括目标流体与固体表面之间的相互作用力(简称流固间相互作用力，f
ads,σ
)；而流体间相互作用力f
c,σ
包括同种组分间作用力和不同组分间作用力，可以表示为：
[0130][0131]
其中，σ和表示两种不同的目标流体(即两种不同的组分)；g
σσ
和分别表示相同组分间和不同组分间的相互作用强度，g为负时为吸引力，为正时为排斥力，该相互作用强度(包括g
σσ
和)能够通过宏观量计算得到；w(|e
α
|2)为粒子的权重，w(1)＝1/3,w(2)＝1/12；ψ(x)为伪势函数。
[0132]
流固间相互作用力f
ads,σ
用来调节壁面润湿性，表示如下：
[0133]
[0134]
其中，对于固体节点和流体节点，指标函数s(x+e
α
δt)分别等于1和0；g
ads,σ
为调节参数，与流体组分有关，例如，该调节参数包括目标流体对应的黏性参数，而每种目标流体组分和固壁的作用强度大小(即f
ads,σ
)可通过改变调节参数g
ads,σ
实现。
[0135]
另外，通过引入真实的状态方程可得每种目标流体的伪势函数：
[0136][0137]
其中，p
eos
是状态方程，在本实施例中，该状态方程选择理想气体状态方程描述理想流体，选择cs状态方程描述非理想流体。
[0138]
其中，相互作用强度中调节参数g
ads,σ
可以通过g
σσ
、和g
ads,σ
之间的关系确；在多组分模型中，选取一个目标流体节点，假设该节点是单组分纯流体点，该节点的相邻节点都具有与该点本身相同的密度，则计算相互作用力时，流体间相互作用力f
c,σ
的计算公式简化为：
[0139][0140]
而完全被固体表面包围的流体节点的相互作用力f
ads,σ
为：
[0141][0142]
另外，当接触角的切线恰好经过格点时，此时流体交界面处格点的伪势函数为：
[0143][0144]
不同组分的流体-固体界面处格点的伪势函数为：
[0145][0146]
以接触角为45
°
时为例，如图9所示，组分σ＝1，2；在完全被液体润湿的表面上，投影到y方向上，固体和液体之间的粘附力等于液体的内聚力，给出第一目标流体、即组分1的公式：
[0147]
ny·fc,1
+ny·fads,1
＝0
[0148]
将上述公式与流体间相互作用力f
c,σ
以及相互作用力f
ads,σ
的公式相结合，可以得到参数关系公式：
[0149][0150]
同理，第二目标流体、即组分2的参数关系公式为：
[0151][0152]
则通过上述步骤，也能够计算接触角为0、90、180度时的多组分模型中作用强度参数关系公式，并归纳出g
σσ
、和g
ads,σ
之间的关系为：
[0153]
[0154]
其中，a为不定常量，则根据该公式组，能够选取合适的相互作用强度的值，用于计算接触角的大小。
[0155]
通过以上步骤，首先初始化流场模型，将气体扩散层压缩后的结构数据导入该流场模型，设置流场边界数据、流场初始数据、迁移方程数据和碰撞方程数据，之后运行该流场模型，进行仿真处理，仿真目标流体在压缩后的气体扩散层中的迁移和碰撞过程，同时计算每个时间步上对应的宏观量，再根据宏观量计算相互作用力，计算得到接触角，进而根据相邻两轮迭代计算的接触角进行稳定性判断，根据判断结果最终输出平衡态仿真结果，精度高，鲁棒性好，参考价值高，能够为优化燃料电池的性能提供极大的助力；可见，本发明通过将气体扩散层压缩后的结构数据与目标流体的流场数据结合，能够真实地模拟出不同装配条件对气体扩散层结构的改变，并在充分考虑气体扩散层在装配压缩过程中的压缩变形和局部碳纤维断裂情况的前提下，进一步根据结构数据准确地对压缩后气体扩散层中气液两相的传输行为进行数值模拟，从而真实地模拟不同装配条件对气体扩散层中气液传输行为的影响，高效准确，鲁棒性好，计算精度高，对优化燃料电池的装配条件和改善膜电极“水淹”现象具有重要意义。
[0156]
与上述本实施例提供的气体扩散层气液传输的预测方法相对应，本发明实施例还提供一种气体扩散层气液传输的预测系统，由于本发明实施例提供的气体扩散层气液传输的预测系统与上述几种实施方式提供的气体扩散层气液传输的预测方法相对应，因此前述气体扩散层气液传输的预测方法的实施方式也适用于本实施例提供的气体扩散层气液传输的预测系统，在本实施例中不再详细描述。
[0157]
本发明实施例提供的气体扩散层气液传输的预测系统能够实现上述方法实施例中的气体扩散层气液传输的预测方法，如图10所示，该系统可以包括：
[0158]
第一获取模块1010，用于获取气体扩散层压缩后的结构数据；
[0159]
第二获取模块1020，用于获取所述气体扩散层中目标流体的流场数据与配置信息；所述配置信息包括碰撞方程数据、迁移方程数据和流场边界数据；
[0160]
仿真模块1030，用于根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，进行仿真处理，得到所述目标流体在所述气体扩散层中的平衡态仿真结果。
[0161]
在一个可能的实施方式中，该仿真模块1030还包括：
[0162]
中间态计算模块，用于根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果；所述动态中间仿真结果包括所述目标流体的接触角；
[0163]
稳定性判断模块，用于在所述接触角满足预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，得到所述平衡态仿真结果。
[0164]
在另一个可能的实施方式中，该仿真模块1030还包括：
[0165]
迭代计算模块，用于在所述接触角不满足所述预设条件的情况下，根据所述接触角对应的所述动态中间仿真结果，更新所述流场数据，并返回执行所述根据所述结构数据、所述流场数据与所述配置信息，得到动态中间仿真结果。
[0166]
需要说明的是，上述实施例提供的系统，在实现其功能时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的系统与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这
里不再赘述。
[0167]
本发明实施例还提供一种设备，包括以上所述的气体扩散层气液传输的预测系统，集成于设备的控制器中，控制器中可以包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令或者至少一段程序，所述至少一条指令或者所述至少一段程序由处理器加载并执行以实现上述的气体扩散层气液传输的预测方法。
[0168]
其中，处理器(或称cpu(central processing unit，中央处理器))为气体扩散层气液传输的预测系统的核心部件，其功能主要是解释存储器指令以及处理各个模块所反馈的数据；处理器的结构大致分为运算逻辑部件与寄存器部件等，运算逻辑部件主要进行相关的逻辑计算(如移位操作、逻辑操作、定点或浮点算术运算操作与地址运算等)，寄存器部件则用于暂存指令、数据与地址。
[0169]
存储器为记忆设备，可用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据所述装置的使用所创建的数据等；相应地，存储器还可以包括存储器控制器，以提供处理器对存储器的访问。
[0170]
本发明实施例还提供一种介质，该介质中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由处理器加载并执行以实现以上所述的气体扩散层气液传输的预测方法；可选地，该介质可以位于计算机网络的多个网络服务器中的至少一个网络服务器；此外，该介质可以包括但不限于随机存取存储器(ram，random access memory)、只读存储器(rom，read-only memory)、u盘、移动硬盘、磁盘存储器件、闪存器件、其他易失性固态存储器件等各种可以存储程序代码的存储介质。
[0171]
需要说明的是，上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0172]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0173]
以上所描述的仅为本发明的一些实施例而已，并不用于限制本发明，本行业的技术人员应当了解，本发明还会有各种变化和改进，任何依照本发明所做的修改、等同替换和改进都落入本发明所要求的保护的范围内。