液體通流微小槽道內(nèi)逸出氣泡動力學(xué)行為的數(shù)值模擬.pdf

1、近年來，隨著對能源高效及清潔利用的要求日益提高，以新能源為對象的多種形式燃料電池得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。在燃料電池流道內(nèi)存在著復(fù)雜的氣液兩相流動現(xiàn)象，此外，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，燃料電池向小型化發(fā)展，由此出現(xiàn)的微小槽道內(nèi)氣液兩相流動表現(xiàn)出許多與宏觀尺度時不同的微觀效應(yīng)。以直接甲醇燃料電池為例，催化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體容易堵塞陽極側(cè)流道和擴散層內(nèi)的孔道，造成傳質(zhì)受阻，最終將影響整個燃料電池的性能。因此，研究微小槽道內(nèi)氣泡存在對兩相流流動特性的

2、影響，特別針對是不同運行工況下氣泡的運動行為及其對流道內(nèi)流動及傳質(zhì)過程的影響的研究，對于優(yōu)化設(shè)計燃料電池、提高燃料電池性能至關(guān)重要。
　　目前的研究針對靜止液體中的氣泡運動現(xiàn)象較多，且多為氣泡在大空間中或是在豎直管道里的運動。對氣泡在水平微小流道內(nèi)的運動特性研究較少，尤其是對氣泡從槽道底部孔口注入到通流中槽道里的動力學(xué)行為的研究甚為少見。本論文采用流體體積法（VOF方法）對液體通流槽道內(nèi)氣泡行為進行數(shù)值模擬，界面追蹤選用PLIC表

3、面重構(gòu)算法，結(jié)合表面張力模型，數(shù)值模擬了液體通流微小槽道內(nèi)單個和多個逸出氣泡的動力學(xué)特性，研究氣泡生長、變形、脫離及運動規(guī)律，以及氣泡之間的相互作用、聚合特性，微小槽道流動阻力特性；獲得氣體逸出速率、液體流速和物性、槽道尺寸和形狀、以及逸出孔分布和大小等參數(shù)對微小通流槽道內(nèi)氣泡動力學(xué)行為特性的影響規(guī)律。
　　主要研究成果如下：
　?、俨鄣赖酌娴慕櫺詫馀莸纳L脫離形態(tài)有重要影響。強親水性的底面有利于氣泡從其生長壁面脫離，而

4、疏水性的底面則會使得氣泡附著在底面上。壁面氣體覆蓋率隨著底面接觸角的增大而增大，而無量綱流動阻力因子則隨著壁面接觸角的增大而減小。
　?、谠龃髿怏w流速能使得氣泡提前脫離，對于槽道底面為中性的情況，在Reg較小時，氣泡脫離體積隨著氣體流速的增大而增加，當(dāng)氣相雷諾數(shù)大于等于14時，繼續(xù)增大氣體流速對氣泡脫離體積、壁面氣相覆蓋率和流動阻力因子影響不大。而槽道底面為強親水性時則沒有這一限制。
　?、鄣酌娼佑|角在強親水性范圍內(nèi)時，混合

5、浸潤性對氣泡行為的影響不大。而在其余情況下混合浸潤性的存在會使氣泡在整個排除槽道中的運動產(chǎn)生較大影響，不僅影響底面氣體覆蓋率的增長速度，同時也會使槽道進出口壓降造成震蕩。
　?、芷渌鼦l件均相同時，孔口在槽道側(cè)壁時氣泡脫離時間最短，脫離體積最小，而孔口在頂部時脫離時間最長，脫離體積最大；隨著槽道高度的增加，氣泡的脫離時間、脫離體積和排出時間均增加，而容積含氣率和流動阻力系數(shù)均減??；流道橫截面積相同而高寬比不同時，氣泡的脫離體積和脫離

6、時間均隨著槽道高寬比的減小呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢；另外，槽道截面形狀改變對氣泡的脫離體積和脫離時間以及槽道內(nèi)無量綱流動阻力因子等參數(shù)也會造成較大影響。
　　⑤相鄰兩個出氣孔形狀及位置分布對槽道內(nèi)底面氣體覆蓋率、容積含氣率和沿程阻力系數(shù)均會產(chǎn)生影響，底面接觸角為90度，Dx=0.8mm時，方孔比圓孔更有利于氣泡排出。在其他條件相同時，孔口前后排列較孔口并行排列時的對槽道阻塞較少。
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