液體通流微小槽道內(nèi)逸出氣泡動(dòng)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(dòng)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(dòng)表現(xiàn)出許多與宏觀尺度時(shí)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(kuò)散層內(nèi)的孔道，造成傳質(zhì)受阻，最終將影響整個(gè)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(dòng)特性的

2、影響，特別針對是不同運(yùn)行工況下氣泡的運(yùn)動(dòng)行為及其對流道內(nèi)流動(dòng)及傳質(zhì)過程的影響的研究，對于優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。對氣泡在水平微小流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(gè)和多個(gè)逸出氣泡的動(dòng)力學(xué)特性，研究氣泡生長、變形、脫離及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及氣泡之間的相互作用、聚合特性，微小槽道流動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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(dòng)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(shí)，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(shí)，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(dòng)阻力因子影響不大。而槽道底面為強(qiáng)親水性時(shí)則沒有這一限制。
　?、鄣酌娼佑|角在強(qiáng)親水性范圍內(nèi)時(shí)，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(gè)排除槽道中的運(yùn)動(dòng)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(shí)也會使槽道進(jìn)出口壓降造成震蕩。
　?、芷渌鼦l件均相同時(shí)，孔口在槽道側(cè)壁時(shí)氣泡脫離時(shí)間最短，脫離體積最小，而孔口在頂部時(shí)脫離時(shí)間最長，脫離體積最大；隨著槽道高度的增加，氣泡的脫離時(shí)間、脫離體積和排出時(shí)間均增加，而容積含氣率和流動(dòng)阻力系數(shù)均減?。涣鞯罊M截面積相同而高寬比不同時(shí)，氣泡的脫離體積和脫離

6、時(shí)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(shí)間以及槽道內(nèi)無量綱流動(dòng)阻力因子等參數(shù)也會造成較大影響。
　　⑤相鄰兩個(gè)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(shí)，方孔比圓孔更有利于氣泡排出。在其他條件相同時(shí)，孔口前后排列較孔口并行排列時(shí)的對槽道阻塞較少。
　?、逇馀輳亩嗫讓右莩龅酵鞑鄣肋@一過程中具