格子Boltzmann方法属于介观模型,它是介于宏观连续性模型和微观分子动力学模型之间的一种流体模拟的新方法。流体是由大量粒子组成的离散系统,每个粒子作无规则的热运动,并且粒子之间通过频繁的相互碰撞交换动量和能量。格子Boltzmann方法将流体离散成一系列的流体粒子,物理区域离散成一系列的格子,时间离散成一系列的时间步长。通过研究局部粒子分布函数的时空演化来描述分子的统计行为和获得宏观物理量。格子Boltzmann方法在许多领域,如多孔介质流、化学反应流、生物流体、微纳米尺度流等,都取得了出色的研究成果。固体氧化物燃料电池的阳极是微纳米尺寸的多孔介质,而且阳极的多孔结构直接影响着燃料气体和电化学反应产物的扩散,从而影响了固体氧化物燃料电池的电化学性能。基于合肥国家同步辐射实验室建设的硬X射线显微成像实验平台,我们成功获得了固体氧化物燃料电池电极的三维结构,并逐渐建立了一套比较系统的分析方法。本论文开展的主要工作有以下几个方面：1.硬X射线成像站的主要光学器件设计参数和显微成像系统准直模拟介绍了国家同步辐射实验室U7A实验站上的nano-S100成像系统主要光学器件的设计参数。描述了硬X射线成像系统在实验前期的光路调节过程以及存在的一些问题。用费马原理结合光线追迹方法分别模拟了X射线经过旋转椭球聚焦镜后在物平面和像平面上的光斑分布,同时分析了调光过程中旋转椭球聚焦镜平移、倾斜对成像光斑分布的影响,并利用模拟结果指导成像系统的准直和调试。X射线成像系统调节模拟为实际的实验操作提供了有效的指导,有利于提高光路调节的工作效率。2.固体氧化物燃料电池阳极三维结构的内部连通性和粒径大小分析利用X射线成像系统获得Ni-YSZ阳极的一系列投影图,用反投影重建软件和Amira软件可以得到分割出Ni, YSZ, Pore三相后的三维结构,并发展三维数据分析方法,分析了各相的连通性以及连通相和非连通相的体积分数。只有输运气体的孔隙、输运离子的YSZ和输运电子的Ni三相都是连通的,才能保证三相界面处的化学反应能够持续地进行下去。因此,各相连通性等三维结构参数能够反映固体氧化物燃料电池阳极的性能。介绍了利用格子Boltzmann方法如何分析固体氧化物燃料电池阳极的三维结构,并发展了相关软件。基于纳米CT成像技术获得的Ni-YSZ阳极的三维结构数据,并构建每个体素的D3Q19模型,由此在三维空间就形成了一套自洽的方向矢量。这些方向矢量可以测量各相颗粒的特征直径,通过数据统计和一系列公式推导可以得到各相粒径分布。研究各相粒径分布可以为优化阳极的三维结构提供指导。3.格子Boltzmann方法模拟Ni-YSZ阳极中的气体扩散固体氧化物燃料电池性能与电池中的气体传输密切相关,在三相界面处反应物的耗尽或者生成物的聚积将致使电池性能下降。用格子Boltzmann方法模拟Ni-YSZ阳极内部的气体扩散过程,能够更真实地反映气体在阳极三维结构中的分布情况和浓差极化的大小等。介绍了格子Boltzmann方法模拟二维结构单一气体扩散、二维结构三种气体扩散和三维结构三种气体扩散的物理模型、计算公式、程序设计以及模拟结果。并且对具有不同连通孔隙率的Ni-YSZ阳极结构进行了模拟,比较了不同的Ni-YSZ阳极结构在相同的电流密度条件下和同一Ni-YSZ阳极结构在不同的电流密度条件下的气体扩散模拟结果,分别讨论了连通的孔隙率、工作电流密度大小对气体扩散及浓差极化的影响。Ni-YSZ阳极在热循环过程中,Ni颗粒会逐渐聚集成更大块的固体,从而导致阳极内部有效的三相界面密度减少。用格子Boltzmann方法分别模拟了经过不同热循环次数的Ni-YSZ阳极结构中的气体扩散,并且结合有效的三相界面密度来确定工作电流密度条件,使物理模型更接近真实情况。