微小槽道內(nèi)微孔壁面逸出氣泡動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(yùn)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(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)特性還有待進(jìn)一步研究。因此，本文通過可視化實(shí)驗(yàn)，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(dòng)行為特性。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如

3、下：
　?、賹?shí)驗(yàn)研究了滯止流體中微孔鼓泡行為特性。捕捉并跟蹤了氣泡的運(yùn)動(dòng)，獲得了氣泡的特征參數(shù)，如體積、形變及運(yùn)動(dòng)速度等。分別對(duì)氣體逸出孔尺寸、氣體流量等對(duì)孔口氣泡的生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著孔徑的減小，氣泡脫離體積、脫離時(shí)間及等待時(shí)間均有所減??；微孔孔口氣泡生長(zhǎng)過程中，穩(wěn)定生長(zhǎng)階段占主導(dǎo)，而小尺寸孔條件下，氣泡緩慢生長(zhǎng)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(zhǎng)的非球狀模型，得到了氣泡形態(tài)及其特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。并分析了氣體逸出孔尺寸及壁面潤(rùn)濕性對(duì)氣泡行為的影響。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　?、趯?shí)驗(yàn)研究了帶液體擾流的微小尺寸通道內(nèi)微孔鼓泡行為及氣液兩相流動(dòng)特性。跟蹤了氣泡串的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得了氣泡形成及運(yùn)動(dòng)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(duì)鼓泡行為及兩相流動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微小通道內(nèi)氣泡將經(jīng)歷生長(zhǎng)、涌入、減幅振蕩和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)四個(gè)階段；增大氣體流量，氣泡間聚并加強(qiáng)，微小通道內(nèi)形成的氣泡尺寸更為集中，運(yùn)動(dòng)速度增大；增大液體流量后，氣泡進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)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。
　　③實(shí)驗(yàn)研究了微通道內(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(yùn)動(dòng)并對(duì)鼓泡周期性進(jìn)行了分

6、析。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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。
　　④實(shí)驗(yàn)研究了楔形微通道內(nèi)氣泡行為及兩相流動(dòng)

7、特性。分別對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)過程中的形狀及運(yùn)動(dòng)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(duì)通道內(nèi)鼓泡行為及兩相流動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣泡在漸擴(kuò)通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)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。基于氣液界面形態(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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。進(jìn)而分析了槽道夾角、壁面潤(rùn)濕性等因素對(duì)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。
　?、輰?shí)驗(yàn)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(dòng)行為及氣液兩相流動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著氣體流量的增大，系統(tǒng)穩(wěn)定后