液体通流微小槽道内逸出气泡动力学行为的数值模拟

液体通流微小槽道内逸出气泡动力学行为的数值模拟

论文摘要

近年来,随着对能源高效及清洁利用的要求日益提高,以新能源为对象的多种形式燃料电池得到了广泛关注和快速发展。在燃料电池流道内存在着复杂的气液两相流动现象,此外,随着微加工技术的发展,燃料电池向小型化发展,由此出现的微小槽道内气液两相流动表现出许多与宏观尺度时不同的微观效应。以直接甲醇燃料电池为例,催化反应产生的气体容易堵塞阳极侧流道和扩散层内的孔道,造成传质受阻,最终将影响整个燃料电池的性能。因此,研究微小槽道内气泡存在对两相流流动特性的影响,特别针对是不同运行工况下气泡的运动行为及其对流道内流动及传质过程的影响的研究,对于优化设计燃料电池、提高燃料电池性能至关重要。目前的研究针对静止液体中的气泡运动现象较多,且多为气泡在大空间中或是在竖直管道里的运动。对气泡在水平微小流道内的运动特性研究较少,尤其是对气泡从槽道底部孔口注入到通流中槽道里的动力学行为的研究甚为少见。本论文采用流体体积法(VOF方法)对液体通流槽道内气泡行为进行数值模拟,界面追踪选用PLIC表面重构算法,结合表面张力模型,数值模拟了液体通流微小槽道内单个和多个逸出气泡的动力学特性,研究气泡生长、变形、脱离及运动规律,以及气泡之间的相互作用、聚合特性,微小槽道流动阻力特性;获得气体逸出速率、液体流速和物性、槽道尺寸和形状、以及逸出孔分布和大小等参数对微小通流槽道内气泡动力学行为特性的影响规律。主要研究成果如下:①槽道底面的浸润性对气泡的生长脱离形态有重要影响。强亲水性的底面有利于气泡从其生长壁面脱离,而疏水性的底面则会使得气泡附着在底面上。壁面气体覆盖率随着底面接触角的增大而增大,而无量纲流动阻力因子则随着壁面接触角的增大而减小。②增大气体流速能使得气泡提前脱离,对于槽道底面为中性的情况,在Reg较小时,气泡脱离体积随着气体流速的增大而增加,当气相雷诺数大于等于14时,继续增大气体流速对气泡脱离体积、壁面气相覆盖率和流动阻力因子影响不大。而槽道底面为强亲水性时则没有这一限制。③底面接触角在强亲水性范围内时,混合浸润性对气泡行为的影响不大。而在其余情况下混合浸润性的存在会使气泡在整个排除槽道中的运动产生较大影响,不仅影响底面气体覆盖率的增长速度,同时也会使槽道进出口压降造成震荡。④其它条件均相同时,孔口在槽道侧壁时气泡脱离时间最短,脱离体积最小,而孔口在顶部时脱离时间最长,脱离体积最大;随着槽道高度的增加,气泡的脱离时间、脱离体积和排出时间均增加,而容积含气率和流动阻力系数均减小;流道横截面积相同而高宽比不同时,气泡的脱离体积和脱离时间均随着槽道高宽比的减小呈现先增大,后减小的趋势;另外,槽道截面形状改变对气泡的脱离体积和脱离时间以及槽道内无量纲流动阻力因子等参数也会造成较大影响。⑤?相邻两个出气孔形状及位置分布对槽道内底面气体覆盖率、容积含气率和沿程阻力系数均会产生影响,底面接触角为90度,Dx=0.8mm时,方孔比圆孔更有利于气泡排出。在其他条件相同时,孔口前后排列较孔口并行排列时的对槽道阻塞较少。⑥气泡从多孔层逸出到通流槽道这一过程中具有选择性,气泡会自发的从流动阻力最小的孔道逸出,整个过程中的流动阻力由孔隙大小及孔隙位置等综合因素决定。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 1 绪论
  • 1.1 液体通流槽道内气液两相流动的研究背景及意义
  • 1.2 液体通流微小槽道内气泡生长及运动特性研究现状
  • 1.2.1 实验及理论研究
  • 1.2.2 VOF 方法数值模拟研究
  • 1.3 本文研究目的和主要研究内容
  • 2 数值模拟方法及模型建立
  • 2.1 VOF 方法
  • 2.1.1 控制方程组
  • 2.1.2 相界面的处理方法
  • 2.1.3 相界面受力分析
  • 2.2 求解器的选择及条件设置
  • 2.3 网格划分方法
  • 2.4 方法验证
  • 2.5 物理模型的建立与分析
  • 2.6 小结
  • 3 液体通流小槽道内单逸出气泡动力学特性
  • 3.1 计算区域及边界条件设定
  • 3.2 底面浸润性对气泡动力学特性的影响
  • 3.3 中性槽道底面条件下单气泡动力学特性
  • 3.3.1 液体进口流量的影响
  • 3.3.2 气体进口流量的影响
  • 3.3.3 孔口直径的影响
  • 3.4 强亲水性槽道底面条件下单气泡动力学特性
  • 3.4.1 液体工质的影响
  • 3.4.2 气体进口流量的影响
  • 3.4.3 孔口直径的影响
  • 3.5 底面非均匀浸润性条件下单气泡动力学特性
  • 3.6 本章小结
  • 4 槽道结构对单逸出气泡动力学特性的影响
  • 4.1 不同逸出孔位置分布对单逸出气泡动力学特性的影响
  • 4.2 槽道尺寸对单逸出气泡动力学特性的影响
  • 4.2.1 高度的影响
  • 4.2.2 槽道高宽比的影响
  • 4.3 槽道截面几何形状对单逸出气泡动力学特性的影响
  • 4.4 本章小结
  • 5 微小通道中多气泡动力学行为及聚并特性
  • 5.1 孔口形状对双气泡动态行为的影响
  • 5.2 孔口位置对双气泡动态行为的影响
  • 5.2.1 中性槽道底面条件下的双气泡动态行为
  • 5.2.2 亲水性槽道底面条件下的双气泡动力行为
  • 5.3 本章小结
  • 6 带多孔底层的微小槽道内气泡逸出行为
  • 6.1 多孔底层结构对气泡逸出的影响
  • 6.2 多孔层浸润性对气泡逸出的影响
  • 6.3 结论
  • 7 结论与展望
  • 7.1 本文主要结论
  • 7.2 后续工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 相关论文文献

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