微小槽道內(nèi)微孔壁面逸出氣泡動力學(xué)行為及特性.pdf

1、孔口鼓泡作為氣液兩相流的基本問題，在各類工程應(yīng)用中均廣泛涉及，特別是在能源、化工、環(huán)境等領(lǐng)域，如直接甲醇燃料電池、污水處理、噴氣減阻、氣液接觸器等。氣泡的行為及氣液兩相流動行為將直接影響到設(shè)備的傳熱傳質(zhì)性能甚至關(guān)系到相關(guān)設(shè)備的使用安全性。以直接甲醇燃料電池為例，多孔氣體擴(kuò)散層作為電池的關(guān)鍵部件，在電池的運行過程中起著重要的作用。它大多是由碳纖維構(gòu)成的多孔介質(zhì)材料，其孔隙尺度在幾微米到幾百微米之間。而陽極通道內(nèi)的氣泡便是從該尺度的微孔溢出

2、。氣泡的行為與多孔氣體擴(kuò)散層內(nèi)氣液兩相的傳輸行為有著直接的聯(lián)系，而這又將影響到電池的運行性能。因此研究微孔孔口鼓泡行為及多孔介質(zhì)內(nèi)氣液兩相傳輸行為對優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、提高電池性能具有重要的意義。
　　現(xiàn)有針對孔口鼓泡行為的研究主要是在具有毫米尺度的氣體逸出孔下進(jìn)行的，而要獲得微孔鼓泡行為動力學(xué)特性還有待進(jìn)一步研究。因此，本文通過可視化實驗，利用高速攝影及數(shù)字圖像處理技術(shù)，研究了微孔孔口鼓泡及氣液兩相流動行為特性。主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如

3、下：
　?、賹嶒炑芯苛藴沽黧w中微孔鼓泡行為特性。捕捉并跟蹤了氣泡的運動，獲得了氣泡的特征參數(shù)，如體積、形變及運動速度等。分別對氣體逸出孔尺寸、氣體流量等對孔口氣泡的生長及系統(tǒng)鼓泡行為進(jìn)行了分析。獲得了系統(tǒng)鼓泡周期性、流型及其轉(zhuǎn)變特征。實驗結(jié)果表明：隨著孔徑的減小，氣泡脫離體積、脫離時間及等待時間均有所減??；微孔孔口氣泡生長過程中，穩(wěn)定生長階段占主導(dǎo)，而小尺寸孔條件下，氣泡緩慢生長階段則占主導(dǎo)；發(fā)現(xiàn)了微孔條件下所特有的微氣泡涌入現(xiàn)

4、象，而該現(xiàn)象則與氣泡斷裂方式有關(guān)?；赮oung-Laplace方程，建立了滯止液體內(nèi)孔口氣泡生長的非球狀模型，得到了氣泡形態(tài)及其特征參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。并分析了氣體逸出孔尺寸及壁面潤濕性對氣泡行為的影響。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。
　?、趯嶒炑芯苛藥б后w擾流的微小尺寸通道內(nèi)微孔鼓泡行為及氣液兩相流動特性。跟蹤了氣泡串的運動軌跡，獲得了氣泡形成及運動過程中的尺寸、形變及速度等特征。分別討論了氣體流量、液體流量以及槽道傾斜角度等

5、對鼓泡行為及兩相流動特性的影響。實驗結(jié)果表明：微小通道內(nèi)氣泡將經(jīng)歷生長、涌入、減幅振蕩和穩(wěn)定運動四個階段；增大氣體流量，氣泡間聚并加強，微小通道內(nèi)形成的氣泡尺寸更為集中，運動速度增大；增大液體流量后，氣泡進(jìn)入穩(wěn)定運動階段的位置提前。發(fā)現(xiàn)了通道角隅處微氣泡的堆積現(xiàn)象，不同工況下，微氣泡的堆積程度及其位置有所不同。
　?、蹖嶒炑芯苛宋⑼ǖ纼?nèi)單/多氣體逸出孔孔口鼓泡行為特性。提取了氣泡的特征參數(shù)、跟蹤了氣泡串的運動并對鼓泡周期性進(jìn)行了分

6、析。實驗結(jié)果表明，隨著氣體流量的增大，通道內(nèi)流型將逐漸從泡狀流向平行流轉(zhuǎn)變；在單氣體逸出孔條件下，通道內(nèi)形成的氣泡尺寸隨著氣體流量的增大，先增大而后保持穩(wěn)定；增大液體流量后，形成的氣泡尺寸減小且分布更為集中；系統(tǒng)鼓泡行為在較低氣體流量下及中等液體流量下，表現(xiàn)出了較強的周期性。在并聯(lián)三氣體逸出孔條件下，發(fā)現(xiàn)了氣體通路的選擇性行為。而該行為將受到氣體流量及氣體逸出孔排列方式等因素的影響。
　?、軐嶒炑芯苛诵ㄐ挝⑼ǖ纼?nèi)氣泡行為及兩相流動

7、特性。分別對氣泡運動過程中的形狀及運動速度變化規(guī)律，以及系統(tǒng)鼓泡周期性進(jìn)行了分析。討論了氣體流量及液體流量對通道內(nèi)鼓泡行為及兩相流動特性的影響。實驗結(jié)果表明，氣泡在漸擴(kuò)通道內(nèi)運動的過程中，氣泡縱向被拉伸，最終斷裂而脫離一側(cè)壁面，并易與后續(xù)氣泡發(fā)生聚并；隨著氣體流量的增大，通道內(nèi)兩相流流型逐漸從泡狀流向平行流轉(zhuǎn)變；增大液體流量后，通道內(nèi)形成的氣泡尺寸減小、分布更為集中，系統(tǒng)鼓泡頻率增大?；跉庖航缑嫘螒B(tài)變化及三相接觸線的穩(wěn)定性，建立了楔形

8、微通道內(nèi)氣液界面受力分析模型。并對楔形通道內(nèi)的液體侵入及驅(qū)替過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。進(jìn)而分析了槽道夾角、壁面潤濕性等因素對楔形通道內(nèi)液滴形態(tài)及界面毛細(xì)力的影響。得到了楔形通道內(nèi)的液滴存在平衡位置的條件。
　　⑤實驗研究了帶均勻和非均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滲透邊界的微通道內(nèi)氣液兩相流動行為及氣液兩相流動特性。提出了一種網(wǎng)格適配的圖像處理方法，獲得了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的氣液兩相分布。實驗結(jié)果表明：隨著氣體流量的增大，系統(tǒng)穩(wěn)定后