氧化还原液流电池中多孔电极的数字孪生

多孔电极是氧化还原液流电池、燃料电池和电解槽的关键组成部分。我们通过直接数值求解不可压缩流动与电化学质量传输的控制方程——Navier-Stokes 方程和 Nernst-Planck 方程（结合 Butler-Volmer 反应动力学），为多孔电极构建了三维数字孪生。我们使用单台工作站以 1.25 μm 的亚纤维尺度模拟了实验室规模的系统，从而展示了该方法。我们建立了收敛性以及网格细化晶格的一致性，并回顾了模型的实验验证。我们展示了两种加速收敛至稳态的新技术的有效性：迭代上采样和模型细化。我们证明稳态下的荷电状态（s）可以表述为具有 Dirichlet 边界条件的关于 s 的单个偏微分方程的解，并引入了一种新的性能指标 U_mt，即电极几何体在质量传输极限下的利用率，两者均可通过给定的流体速度场使用显式方法快速模拟。我们所有的代码都是高性能、可并行化的开源 C++，随本工作发布，并兼容当今可用的大型现代科学超级计算机。