本發(fā)明涉及燃料電池領域，具體是一種基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法。

背景技術：

1、燃料電池是一種將化學能直接轉換為電能的設備，具有高效、清潔、環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于交通運輸、能源站和移動電源等領域。在燃料電池系統(tǒng)中，空壓機扮演著關鍵的角色，用于提供氣體供應和增壓功能。

2、工程熱力學中的(exergy)概念提供了一種量化能量損失的方法，它基于熱力學第二定律，用于評估能量轉換過程中的不可逆損失。通過分析，可以確定能量損失的大小和位置，從而為改進系統(tǒng)設計和操作提供依據(jù)。此外，基于傳統(tǒng)分析提出的先進分析能夠精確地指出特定組件對系統(tǒng)性能的貢獻，進而獲得可避免及可減少損失的結構，對其優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。

3、其他人對于先進分析法的應用也得到了驗證，文獻《基于先進分析法的供熱機組優(yōu)化》中，采用了先進分析法對供熱機組進行了優(yōu)化，得出了供熱機組的改進順序，這表明先進分析法能夠有效地結合具體部件的設計，為供熱機組的改進提供了實際可行的方案。

4、但目前對于先進分析方法的應用主要集中在系統(tǒng)的組件中，而未應用于某一部件的具體優(yōu)化部位，因此基于先進分析的燃料電池空壓機優(yōu)化方法具有極大的研究潛力。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法。

2、本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

3、步驟1、設計并搭建燃料電池離心空壓機性能試驗平臺；

4、步驟2、將某一個離心空壓機搭載在步驟1的試驗平臺上進行試驗，得到該離心空壓機的性能參數(shù)的試驗值；

5、步驟3、根據(jù)步驟2的離心空壓機，得到該離心空壓機的結構參數(shù)，再根據(jù)結構參數(shù)建立該離心空壓機的數(shù)值計算模型；

6、步驟4、在步驟3得到的數(shù)值計算模型上進行仿真，得到該離心空壓機的性能參數(shù)的仿真值；

7、步驟5、將步驟2得到的性能參數(shù)的試驗值與步驟4得到的性能參數(shù)的仿真值進行對比分析；若步驟2得到的性能參數(shù)的試驗值中的壓比與步驟4得到的性能參數(shù)的仿真值中的壓比之間的最大擬合誤差≤10％，則進入步驟6；若步驟2得到的性能參數(shù)的試驗值中的壓比與步驟4得到的性能參數(shù)的仿真值中的壓比之間的最大擬合誤差＞10％，則返回步驟3；

8、步驟6、對步驟3得到的離心空壓機的數(shù)值計算模型進行后處理，獲得離心空壓機的場量數(shù)據(jù)；再根據(jù)場量數(shù)據(jù)計算值，獲得該離心空壓機的分析模型；

9、步驟7、對步驟6得到的離心空壓機的分析模型進行分析，再對分析結果進行擴展，將損失e分為內部可避免損失een,av、內部不可避免損失een,un、外部可避免損失eex,av和外部不可避免損失eex,un，進而建立該離心空壓機的先進分析模型；再對先進分析模型進行分析，得出可優(yōu)化的損失為內部可避免損失een,av并對其進行量化；

10、步驟8、修改離心空壓機的結構參數(shù)，按照步驟3建立不同結構參數(shù)的離心空壓機的數(shù)值計算模型，再按照步驟4分別計算不同結構參數(shù)的離心空壓機的性能參數(shù)的仿真值；然后按照步驟6建立不同結構參數(shù)的離心空壓機的分析模型；再按照步驟7建立不同結構參數(shù)的離心空壓機的先進分析模型，并研究不同結構參數(shù)對內部可避免損失een,av的影響規(guī)律，找出對內部可避免損失een,av具有影響的結構參數(shù)；然后對具有影響的結構參數(shù)進行迭代優(yōu)化，直至獲得同時滿足最小損失和最大效率的離心空壓機的結構參數(shù)。

11、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

12、(1)本發(fā)明首先搭建離心空壓機性能試驗平臺，再將某個離心空壓機搭載在試驗平臺上進行試驗，再建立該離心空壓機的數(shù)值計算模型并進行仿真，然后將性能參數(shù)的試驗值與性能參數(shù)的仿真值進行對比分析；驗證后建立該離心空壓機的分析模型，進而建立先進分析模型；最后修改離心空壓機的結構參數(shù)，建立不同結構參數(shù)的離心空壓機的數(shù)值計算模型并進行仿真，得到不同結構參數(shù)的性能參數(shù)的仿真值；然后建立不同結構參數(shù)的分析模型和先進分析模型，以同時降低損失和提高效率為目標，研究離心空壓機的結構參數(shù)與損失之間的相關性；然后對結構參數(shù)進行迭代優(yōu)化，直至獲得同時滿足最小損失和最大效率的離心空壓機的結構參數(shù)。

13、(2)本發(fā)明從能量損失的角度出發(fā)，采用先進分析法來研究離心空壓機復雜流動與傳熱過程的不可逆損失機理，旨在提高空壓機效率的同時降低損失，實現(xiàn)離心空壓機的高效低損優(yōu)化，降低能量損失，從能質角度為離心空壓機氣道和氣動性能的優(yōu)化設計提供新思路，同時為涉及復雜工質流動的風機、輪機等機械設備結構優(yōu)化提供理論依據(jù)，具有重要的科學意義和應用價值。

14、(3)本發(fā)明能夠精確地指出特定組件對系統(tǒng)性能的貢獻，進而獲得可避免損失的結構，能夠針對不同分級，實現(xiàn)結構的優(yōu)化設計，同時提高空壓機的效率以及降低能量損失。

15、(4)本發(fā)明搭建的燃料電池離心空壓機性能試驗平臺，考慮了冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能自動采集數(shù)據(jù)并上傳到上位機，通過上位機操控節(jié)氣門開度等。

技術特征：

1.一種基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟1中，所述試驗平臺包括空氣濾清器(1)、進氣端空氣流量計(2)、進氣端溫壓一體傳感器(3)、排氣端溫壓一體傳感器(5)、排氣端空氣流量/溫度計(7)、節(jié)氣門(8)、控制器(14)、上位機(21)、第一水冷系統(tǒng)和第二水冷系統(tǒng)；

3.根據(jù)權利要求2所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟1中，上位機(21)的操作界面能夠設定空壓機(4)的排氣端氣體的溫度、第一水冷系統(tǒng)中冷卻水的溫度、第一水泵(10)的pwm脈寬、第二水泵(19)的pwm脈寬、節(jié)氣門(8)的開度以及水路調節(jié)閥(11)的開度；操作界面能夠顯示空壓機(4)的進氣端氣體的流量和溫度以及壓力、空壓機(4)的排氣端氣體的溫度和壓力、經(jīng)中冷器(6)冷卻后的氣體的溫度和流量、節(jié)氣門(8)的開度、控制器(14)的溫度、第一水泵(10)的轉速、水路調節(jié)閥(11)的開度、冷卻控制器(14)前的冷卻水的流量和溫度以及壓力、冷卻控制器(14)后的冷卻水的溫度和壓力、冷卻空壓機(4)后的冷卻水的溫度和壓力、第二水泵(19)的轉速；

4.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟2中，性能參數(shù)包括轉速、節(jié)氣門開度、質量流量、溫度、壓力與壓比。

5.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟3具體是：根據(jù)步驟2的離心空壓機的結構參數(shù)，先通過三維建模軟件建立離心空壓機的幾何實體模型，再對離心空壓機的幾何實體模型進行網(wǎng)格劃分，將其分割成離散的小單元，以便進行數(shù)值計算；然后在cfd軟件中設置求解器和邊界條件，得到該離心空壓機的數(shù)值計算模型。

6.根據(jù)權利要求5所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟3中，所述結構參數(shù)包括葉輪、擴壓器、進出氣管道和蝸殼的幾何形狀，葉片數(shù)目，擴壓器進出口角度，擴壓器有葉無葉，葉輪葉頂間隙大小和葉輪進出口安裝角；

7.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟5中，最大擬合誤差為壓比試驗值與壓比仿真值的差的絕對值除以壓比試驗值。

8.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟6中，場量數(shù)據(jù)包括溫度、比焓h和比熵s；

9.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，步驟7中，采用熱力循環(huán)法對步驟6得到的離心空壓機的分析模型進行分析，提出分析模型的損失e的兩種分類方式：

10.根據(jù)權利要求1所述的基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，其特征在于，該方法還包括如下步驟：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于先進分析的燃料電池離心空壓機優(yōu)化設計方法，首先搭建離心空壓機性能試驗平臺，再對某個離心空壓機進行試驗，建立其數(shù)值計算模型并仿真，然后將性能參數(shù)的試驗值與仿真值進行對比分析；驗證后建立該離心空壓機的分析模型和先進分析模型；最后修改離心空壓機的結構參數(shù)，建立不同結構參數(shù)的離心空壓機的數(shù)值計算模型并進行仿真；然后建立不同結構參數(shù)的分析模型和先進分析模型，以同時降低損失和提高效率為目標，對結構參數(shù)進行迭代優(yōu)化，直至獲得同時滿足最小損失和最大效率的離心空壓機的結構參數(shù)。本發(fā)明從能量損失的角度出發(fā)，采用先進分析實現(xiàn)離心空壓機的高效低損優(yōu)化。

技術研發(fā)人員：孫秀秀,孟琪,張前,景國璽,陳光
受保護的技術使用者：河北工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19