非圓截面微通道內(nèi)氣液兩相流動特性研究.pdf

1、隨著加工技術(shù)的進(jìn)步以及對精確控制要求的提高，微型設(shè)備成為了炙手可熱的研究方向。微流體燃料電池作為微型設(shè)備的一種，巧妙地結(jié)合了電化學(xué)基本原理和微流體分層流動特點(diǎn)。陰、陽極電解液在相互平行流動過程中不會發(fā)生對流混合，因此微流體燃料電池的設(shè)計(jì)不需要質(zhì)子交換膜，且具有能量轉(zhuǎn)化效率高、易加工、易啟動、便攜等一系列的優(yōu)點(diǎn)。新型容積式微流體燃料電池結(jié)構(gòu)能夠顯著提高電池的功率以及燃料利用率。這種電池在酸性體系下運(yùn)行時(shí)，甲酸在陽極側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)生成 CO

2、2。氣泡的出現(xiàn)減小了陽極反應(yīng)面積，阻礙了燃料向電極表面?zhèn)鬟f，從而抑制電池的穩(wěn)定運(yùn)行。氣泡在生長過程中會受到圓形電極壁面以及微通道尺寸的限制發(fā)生形變，從而對電解液的層流分界面造成不可預(yù)知的破壞并影響電池性能。
　　本文針對容積式微流體燃料電池特殊的陽極結(jié)構(gòu)特征開展工作。在500×192μm的矩形截面微通道的壁面沉積MnO2催化劑，并研究了過氧化氫的濃度和流速對單個(gè)氧氣氣泡的生長過程的影響；對容積式微流體燃料電池的陽極結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，采

3、用高分子聚合材料—聚二甲基硅氧烷加工了當(dāng)量直徑為0.5 mm的異形截面微通道，并將其與相同大小的矩形截面微通道進(jìn)行對比，對這兩種通道內(nèi)氣液兩相流動的流型種類以及流型轉(zhuǎn)換開展了可視化實(shí)驗(yàn)研究；采用相界面追蹤方法—VOF對異形截面微通道內(nèi)的平行流流型進(jìn)行數(shù)值模擬并對其形成過程進(jìn)行分析。主要研究結(jié)果如下：
　　1）在微通道內(nèi)，氧氣氣泡的生長速度隨著過氧化氫濃度的升高而加快，隨流量的增加有小幅度的降低；氣泡的脫離直徑隨過氧化氫流量的增加而

4、減小，且呈線性關(guān)系；氣泡的生長過程可以分為快速生長階段和緩慢生長階段；建立了微通道內(nèi)氣泡生長模型；氧氣氣泡的溶解現(xiàn)象說明可以通過控制催化劑面積抑制氣泡生長。
　　2）采用氮?dú)夂腿ルx子水為工質(zhì)，在矩形截面微通道內(nèi)觀測到三種穩(wěn)定存在的流型，分別為泡狀流流型(bubbly flow)、彈狀流流型(slug flow)、平行流流型(parallel flow)，并繪制了流型轉(zhuǎn)換圖；與矩形截面微通道相比，異形截面內(nèi)凸壁面和多角區(qū)的結(jié)構(gòu)沒有造