Riassunto analitico
Questa tesi di laurea nasce con l'obiettivo di indagare i migliori software commerciali che possono essere adottati per la modellazione delle celle a combustibile PEM a livello industriale, campo di ricerca attivo presso l'Università di Modena.
Il software di riferimento è SIMCENTER StarCCM+ (SIEMENS PLM), già affermato nella simulazione di flussi in-cilindro, lavaggio motori, combustione di combustibili diversi e preparazione e stratificazione di miscele. Tuttavia, nel campo delle celle a combustibile PEM, StarCCM + richiede ancora l'intervento manuale dell'utente per preparare un caso di simulazione, nonché una serie limitata di modelli integrati disponibili. Sulla base di questo contesto, l'obiettivo della tesi è l'analisi approfondita delle capacità di modellazione e dell'esperienza utente dei software StarCCM + e COMSOL, per stabilire quale software è più promettente per stabilire simulazioni di celle a combustibile PEM nel flusso di lavoro di ricerca e sviluppo industriale, con particolare riguardo al settore automobilistico.
Sono stati effettuati quattro casi rappresentativi. Nel primo e nel secondo, sono state analizzate le equazioni di Navier-Stokes e Butler-Volmer per valutare le somiglianze e le differenze di modellazione tra i due software. Nel terzo caso, viene esaminato il funzionamento complessivo di una cella a combustibile PEM, adottando un modello semplificato costituito da un disegno a canale rettilineo. Nel quarto caso viene modellata una cella a combustibile con dimensioni reali. I risultati presentati mostrano come i modelli siano molto simili, anche se vi sono differenze accettabili dovute a piccole variazioni implementative, con considerazioni sulla necessità e/o possibilità di introdurre la codifica utente per personalizzare i modelli embedded. La ricerca presentata dimostra la possibilità di modellare le celle a combustibile PEM con un flusso di lavoro accelerato utilizzando COMSOL Multiphysics, grazie a interfacce dedicate che facilitano notevolmente l'utente nella creazione di un ambiente di simulazione avanzato.
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Abstract
This master thesis was born with the aim of investigating best-in-class commercial software that can be adopted for the modelling of PEM fuel cells at industry level, a field of active research at the University of Modena.
The reference software is SIMCENTER StarCCM+ (SIEMENS PLM), already established in the simulation of in-cylinder flows, engine scavenging, combustion of different fuels and mixture preparation and stratification. However, in the field of PEM fuel cells, StarCCM + still requires manual user intervention to prepare a simulation case, as well as a limited set of available built-in models. Based on this context, the objective of the thesis is the in-depth analysis of modelling capabilities and user experience of both StarCCM+ and COMSOL software, to establish which software is most promising to establish PEM fuel cells simulations in industrial R&D workflow, with particular regard to the automotive sector.
Four representative cases were carried out. In the first and second, Navier-Stokes and Butler-Volmer equations were analysed to evaluate modelling similarities and differences between the two software. In the third case, the comprehensive operation of a PEM fuel cell is examined, adopting a simplified model consisting in a straight channel design. In the fourth case, a fuel cell with real dimensions is modelled. The presented results show how the models are very similar, albeit some acceptable differences are found due to minor implementation variations, with considerations on the need and/or possibility to introduce user-coding to customize the embedded models. The presented research demonstrates the possibility of modelling PEM fuel cells with an accelerated workflow using COMSOL Multiphysics, thanks to dedicated interfaces that greatly facilitate the user in creating an advanced simulation environment.
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