Multiple-Component, Thermal Lattice Boltzmann Model for the Fuel Cell

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K04284
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: Seta Takeshi 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (50308699)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 数値流体力学 / ステファン・マクスウェル方程式 / 多成分系解析 / 熱流動解析 / 格子ボルツマン法

Outline of Final Research Achievements

A recursive method with a time step successfully derives the lattice Boltzmann method for the generalized Stefan-Maxwell equation, which governs the behavior of a multicomponent system. We attempt to simulate the multicomponent diffusion in porous media by applying boundary condition for curved walls with the proposed lattice Boltzmann method. However, the different time intervals of the components result in numerical instability on the curved wall. Using a Galilean invariant central-moments-based collision operator with bulk viscosity, the lattice Boltzmann method calculates the natural convection in porous media with the permeability. To elucidate the nonlinear heat phenomena in the fuel cell, we propose a method that uses the lattice Boltzmann method with a stable and accurate boundary condition for thermal multicomponent.

Free Research Field

数値流体力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

時間刻み幅に基づくマルチスケール展開により、格子ボルツマン法で用いられる運動方程式から、多成分系の拡散現象を記述するステファン・マクスウェル方程式を導出した点に学術的な意義がある。更に、粒子の分布関数を空間補完ではなく、時間補完により予測し、最も運動速度が遅く時間刻み幅が最小である粒子運動を基に、各粒子同士の衝突を計算する点に新規性がある。固体高分子形燃料電池では、水素と酸素の化学反応で発生する熱により、電極面内に不均一な温度分布が発生し、燃料電池の運転の障害となる。本研究によって提案された手法により、燃料電池の運転障害の要因の解明が期待される点に社会的な意義がある。