Experimental investigation on bubbling behavior in anode channel of passive DMFC

将被动式DMFC阳极通道内气泡形成过程简化为CO₂气体注入充满静态甲醇溶液中形成气泡的过程。利用可视化实验研究了气体垂直注入静态甲醇溶液中形成气泡以及气泡脱离的过程,考察了气体流量、液层高度、孔径大小、甲醇浓度对气泡形成及长大脱离过程的影响。结果表明：在气泡的生长过程中,接触角先是快速下降后又迅速上升,然后趋于稳定值直到脱离。随着气体流量的增加,脱离时气泡的直径变化甚微,脱离时间先下降较快后趋于稳定。随着液层高度的增加,气泡的脱离直径变小,产生的频率加快,脱离时间先是减小后趋于稳定;气体流量在此条件下对脱离时间的影响减弱。随着孔径的增加,气泡的脱离直径增加,产生气泡的频率减慢,气泡的脱离时间减小。随着甲醇浓度的增加,气泡的脱离直径变小且波动明显,气泡产生的频率变快,脱离时间先是减小后趋于稳定,对低浓度的溶液影响较为明显。     

直接甲醇燃料电池阳极通道内气泡行为

阳极催化层表面反应生成的CO2气体能否及时通过扩散层和阳极通道排出直接甲醇燃料电池(DMFC),对DMFC的性能及寿命具有重要影响,因此揭示气泡行为机理对DMFC的优化具有重要的意义。本文将DMFC阳极通道内气泡形成过程简化为气体垂直注入恒流液体中形成气泡的过程,利用可视化实验研究了气体垂直注入恒流液体中形成气泡以及气泡脱离的过程,考察了气体流量、液体流量以及浮力对气泡形成、生长及脱离过程的影响。结果表明:气泡的形成由气体的压力和表面张力产生的毛细压力共同作用,气泡生长和脱离过程相对于孕育过程较快;随着气体流量的增加,产生气泡的时间间隔变短,气泡间聚并的位置逐渐向前推移,气泡的脱离时间先减小后增大;随着液体流量的增加,气泡由弹状流向泡状流渐变,气泡的脱离时间先急剧变小,后趋于平缓;浮力对竖直向下形成气泡的影响较为明显,浮力的作用使竖直向下不易形成气泡且难于脱离孔道口。     

不同管口浸没方式下气泡生成行为特性

对三种管口浸没方式下气泡生成行为过程进行可视化实验和三维数值模拟。对比分析了管口浸没方式、管口直径、气体流量等因素对气泡生成形态、气泡脱离直径、气泡膨胀脱离时间以及气液流场速度的影响。实验与数值模拟取得较为一致的结果。研究发现,气泡生成过程可分为单气泡生成和双气泡生成聚并两种模式,两者之间存在明显的气泡脱离形态转折点;三种管口浸没方式下,气泡脱离直径均随着管径和气体流量的增大而增大;气泡膨胀脱离时间随管径的增大而增加,而随气体流量的增加先急剧下降然后趋于平缓;在底吹和侧吹方式下,气泡长短轴比C值分别在0.75和1.1附近波动,其最终脱离形式均接近于球形;而顶吹方式下,C值在1.5附近波动,气泡脱离形态为椭球形。     

CO_2气泡脱离扩散层孔口过程的数值模拟

在直接甲醇燃料电池(DMFC)中,阳极催化层表面反应生成的CO2气体通过扩散层,及时排出阳极通道,对提高DMFC电流密度具有重要意义,因此研究气泡脱离孔口的过程很有益。今采用Fluent6.2.16对CO2气泡脱离扩散层孔口过程、两孔时气泡形成及聚并过程进行了数值模拟,考察了阳极通道内液体流速、扩散层孔道直径等因素对气泡脱离的影响。结果表明,阳极通道内液体流速越大,气泡脱离扩散层孔口所需的时间越短;扩散层孔道直径越大,气泡脱离扩散层孔口所需的时间越长,且生成的气泡越大;由于从相邻两扩散层孔道出来的气泡的阻挡和挤压作用,使得两气泡周围的压力分布与单气泡不同,气泡脱离过程与从单个扩散层孔口的脱离过程有所不同,脱离时间更早。     

非均匀电场作用下气泡生长及运动特性

气液两相流广泛应用于化工、石油等工业生产中,电场可以有效强化相间作用。为探究电场作用下气泡的生长演化特性,本文采用显微高速数码摄像技术对气泡生长、脱离过程及运动进行可视化研究,精确捕捉了非均匀电场作用下气泡产生、脱离和运动过程的显微形貌特性,结合图像处理技术定量分析了电场强度对气泡生长时间、脱离频率、体积及运动速度的影响规律。实验结果表明电场作用改变了气泡的生长方式,显著地促进了气泡的脱离及运动。电场作用下气泡的脱离频率明显增大,相较于无电场情况下增加了几十倍,最短脱离周期可达到10ms左右。气泡脱离体积显著减小,相应的最小气泡直径为毛细管直径一半。气泡初始速度大约增加4倍,横向速度达到80mm/s左右,强化了气泡在液体中的分散性。这为荷电气液两相流工业应用提供了良好的理论基础。     

被动式DMFC气泡行为的实验研究和数值模拟

在被动式直接甲醇燃料电池（DMFC）中,阳极催化层表面电化学反应生成的二氧化碳（CO2）通过扩散层及时排出阳极通道,对提高直接甲醇燃料电池的性能具有重要意义,因此研究阳极通道内的气液两相流对电池性能的优化具有非常重要的意义。利用计算流体力学模拟软件Fluent,采用VOF（volume of fluid）两相流模型追踪气液界面的方法对静止甲醇溶液中CO2气泡形成的过程进行模拟,利用可视化实验对部分结果进行验证,结果表明：气泡在浮力和表面张力作用下被拉长,受尾部液体剪切力作用脱离,倾斜的扩散层表面有利于气泡尽快的离开孔口,气速较大时气泡在脱离前会出现多次融合,气泡在高浓度甲醇溶液中以气泡链的方式产生。研究结果为扩散层的制备和优化提供了参考。     

喷嘴气泡脱离直径的计算

根据喷嘴气泡的蝌蚪形状特点,给出了物理模型.依此模型建立了力学平衡方程,导出了计算喷嘴气泡脱离直径的迭代公式.它包含了流体的重要物性参量、喷嘴直径以及气体流量,因此具有广泛的适用性.此式除与作者的实验相符外,还与其他研究者的实验在粘度、表面张力、喷嘴直径和气体流量的宽广范围内符合得很好.     

气泡在颗粒床层表面的生成脱离行为

试验研究了气泡在颗粒床层表面的生成脱离过程及其行为特性,利用高速摄像技术揭示了进气管管径、颗粒床层高度、颗粒粒径等因素对气泡脱离直径及其生成周期的影响规律,对比分析了颗粒床层表面和进气管管口的气泡生成脱离行为差异。研究结果表明：在1500～3000μm粒径范围的床层表面所生成气泡的初始形态相对更扁小,气泡也更快向扁平状演变;颗粒粒径的增大使得进气流量对气泡形态的影响减弱;管径和颗粒床层高度的增大可以有效促进气泡脱离直径的增长,但延缓了气泡的生成脱离,增加了气泡的生成周期;颗粒粒径对气泡生成周期的影响随着进气流量的增大而逐渐减弱;气泡在颗粒床层表面和管口的生成脱离行为存在显著差异,相比之下,150～300μm粒径范围的颗粒床层对气泡的生成脱离具有更明显的阻碍作用,其表面所生成气泡的脱离直径和生成周期相对较大。     

不同管口浸没方式下气泡生成行为特性

对三种管口浸没方式下气泡生成行为过程进行可视化实验和三维数值模拟。对比分析了管口浸没方式、管口直径、气体流量等因素对气泡生成形态、气泡脱离直径、气泡膨胀脱离时间以及气液流场速度的影响。实验与数值模拟取得较为一致的结果。研究发现,气泡生成过程可分为单气泡生成和双气泡生成聚并两种模式,两者之间存在明显的气泡脱离形态转折点;三种管口浸没方式下,气泡脱离直径均随着管径和气体流量的增大而增大;气泡膨胀脱离时间随管径的增大而增加,而随气体流量的增加先急剧下降然后趋于平缓;在底吹和侧吹方式下,气泡长短轴比C值分别在0.75和1.1附近波动,其最终脱离形式均接近于球形;而顶吹方式下,C值在1.5附近波动,气泡脱离形态为椭球形。关键词:气液两相流;气泡;数值模拟;浸没方式;脱离直径     

微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验

采用聚二甲基硅氧烷材料(PDMS)制备矩形截面的微通道,并在微通道壁面上沉积MnO₂作为催化剂,采用高速摄影仪对通流过程中过氧化氢催化分解生成氧气气泡的过程进行了可视化实验研究,分析了反应物的浓度和流量对气泡生长速度及脱离直径的影响.结果表明:气泡在微通道内催化表面的生长及脱离过程呈周期性变化的趋势;气泡生长可以分为快速生长和缓慢生长两个阶段,当t<3 s时气泡处于快速生长阶段,催化反应主要受动力学控制,当t≥3 s时扩散控制占主要地位,气泡生长速度随反应物浓度的升高而增大;气泡脱离直径受反应物浓度影响较小,受反应物流量影响较大,而且随液相反应物Reynolds数的增大线性降低.     

液体通流微小槽道内气泡动力学行为模拟

采用VOF方法,对液体通流微小通道内壁面逸出气泡的形成、生长及脱离运动进行了数值模拟,并讨论了壁面浸润性、液体流速、气体流速对气泡动力学行为的影响.结果表明:气泡生长壁面亲水性增强有利于其从壁面脱离;气泡生长壁面气相覆盖率随壁面接触角的增大而增大;流动阻力因子随壁面接触角的增大而减小.较高的液体流速会导致气泡的脱离时间...     

倾斜下表面上形成的气泡形状及尺寸

本文研究了在倾斜下表面上，经小直径导管引入液相的气体所形成的气泡形状和尺寸及其受倾斜角度、导管直径及气体流量大小的影响。并获得了预测气泡脱离容积的关系式。     

顶部浸没竖直向下平口管口气泡膨胀脱离特性

利用高速摄像机拍摄顶部浸没竖直向下管口气泡膨胀及脱离演变过程,对比分析管径、平均气速对气泡尺寸、形成时间的影响规律。引入泡龄k表征管口气泡位置特性,用椭球形气泡长短轴比L表征气泡形状特征。研究发现,气泡生成机理有间歇生成气泡、含抽吸间歇生成气泡和连续生成气泡3种;气泡脱离直径随平均气速变化过程明显存在气泡脱离形态转变点;气泡膨胀脱离模式随平均气速变化分为单个气泡形成、气泡聚并形成两种。平均气速为3.1 m·s^-1时管口处存在抽吸现象,此时最大泡龄k_max最小;脱离阶段气泡长短轴比L随脱离时间变化过程明显存在时间分界点。在分界点前,L值在2.0附近波动,气泡主要以椭球形存在。分界点后,L值明显增加,气泡形状向扁椭球体发展。     

具有静态混合单元的气泡分步结晶过程研究

在气泡分步结晶工艺基础上 ,开发了静态混合气泡结晶技术来提纯均四甲苯。实验表明 ,将静态混合单元引入传统气泡结晶器后 ,拓宽了有效鼓泡气速范围 ,明显改善了结晶过程气体均布及压强均布等状况 ,强化了传热、传质过程 ,提高了晶体纯度     

顶部浸没竖直向下平口管口气泡膨胀脱离特性

利用高速摄像机拍摄顶部浸没竖直向下管口气泡膨胀及脱离演变过程,对比分析管径、平均气速对气泡尺寸、形成时间的影响规律。引入泡龄k表征管口气泡位置特性,用椭球形气泡长短轴比L表征气泡形状特征。研究发现,气泡生成机理有间歇生成气泡、含抽吸间歇生成气泡和连续生成气泡3种;气泡脱离直径随平均气速变化过程明显存在气泡脱离形态转变点;气泡膨胀脱离模式随平均气速变化分为单个气泡形成、气泡聚并形成两种。平均气速为3.1 m·s-1时管口处存在抽吸现象,此时最大泡龄kmax最小;脱离阶段气泡长短轴比L随脱离时间变化过程明显存在时间分界点。在分界点前,L值在2.0附近波动,气泡主要以椭球形存在。分界点后,L值明显增加,气泡形状向扁椭球体发展。     

PE微孔形成微气泡及其理论研究

微气泡制造技术的改进与提高是气浮技术广泛应用的关键。研究了PE微孔膜管在剪切流剪切作用下形成微气泡的条件,从气泡形成机理上分析了膜管孔径大小、气体流量、剪切流流速和表面张力对气泡粒径分布的影响。实验采用静态显微摄像技术对气泡粒径分布进行了表征。实验结果表明,利用PE微孔膜管形成的气泡粒径在40～80μm之间,气泡平均粒径在44.3～60.5μm之间。膜管孔径大小、气体流量、剪切流流速、液相流体的表面张力是影响气泡粒径分布的主要因素。     

低电导率工质中气泡的极化运动实验研究

为探讨电场作用下气泡在低电导率工质中的极化运动特性,采用高速数码摄像技术对气泡在正庚烷溶液中的生长和分散过程进行了可视化研究,并结合无量纲数分析了不同气体流量和施加电压下的气泡演变特征以及极化力主导的气泡运动规律。结果表明,增大电场强度可导致气泡生长周期缩短,气泡尺寸显著减小,产生频率加快。在低电场强度下,气泡运动主要表现为流体动力学特性;而在强电场作用下,气泡首先受极化力主导而表现为电流体动力学特性,其直线轨迹高度随Bo_E增大而增大。但随着电场强度在竖直方向上的衰减以及液相阻力影响,气泡运动速度不断减小;当气泡脱离极化力主导区域后,其运动再次表现为流体动力学特性,受尾迹诱导和气泡间相互作用影响,气泡在竖直方向上沿毛细管轴向四周扩散。     

水平分布双气泡运动特性的可视化实验

为了研究双孔喷气工况下,孔径及孔间距对气泡的影响规律,通过可视化实验方法研究双孔壁面逸出气泡的运动特性,对不同孔径及孔间距情况下的两列气泡的运动轨迹、气泡脱离尺寸、气泡速度进行分析,并与单孔气泡生成及运动特性进行对比,得到孔口间距及孔口直径对气泡的影响规律。实验结果表明,当两列气泡并排上升时,两气泡之间距离并不会保持恒定,而是会出现相互靠近—远离—再靠近的循环震荡过程,且孔间距越小,气泡上升时所伴随的左右震荡的振幅越大;在孔径及气体流量均相同时,孔间距越小,脱离尺寸越小,气泡最终的稳定速度越小;当孔间距及气体流量均相同时,孔径越大,气泡的脱离尺寸越大,脱离尺寸与单孔情况的差值越大,气泡最终的稳定速度越大。     

PE微孔形成微气泡及其理论研究

微气泡制造及微化技术的改进与提高是气浮技术广泛应用的关键.研究了利用PE微孔膜管在高速剪切流剪切作用下形成微气泡的条件,从气泡形成机理上分析了膜管孔径大小、气体流量、剪切流流速和表面张力对气泡粒径分布的影响.实验采用静态显微摄像技术对气泡粒径分布进行了表征.实验结果表明,利用PE微孔膜管形成的气泡粒径在40～80μm之间,气泡平均粒径在44.3～60.5μm之间.膜管孔径大小、气体流量、剪切流流速、液相流体的表面张力是影响气泡粒径分布的主要因素.     

微孔塑料成型加工的研究

对微孔塑料成型过程中关键步骤——气体／聚合物均相体系的形成、气泡成核、气泡长大的影响因素进行了详细评述,对主要成型技术进行了简介。