非圆截面微通道内气液两相流动特性研究

摘要

随着加工技术的进步以及对精确控制要求的提高，微型设备成为了炙手可热的研究方向。微流体燃料电池作为微型设备的一种，巧妙地结合了电化学基本原理和微流体分层流动特点。阴、阳极电解液在相互平行流动过程中不会发生对流混合，因此微流体燃料电池的设计不需要质子交换膜，且具有能量转化效率高、易加工、易启动、便携等一系列的优点。新型容积式微流体燃料电池结构能够显著提高电池的功率以及燃料利用率。这种电池在酸性体系下运行时，甲酸在阳极侧发生氧化反应生成 CO2。气泡的出现减小了阳极反应面积，阻碍了燃料向电极表面传递，从而抑制电池的稳定运行。气泡在生长过程中会受到圆形电极壁面以及微通道尺寸的限制发生形变，从而对电解液的层流分界面造成不可预知的破坏并影响电池性能。
　　本文针对容积式微流体燃料电池特殊的阳极结构特征开展工作。在500×192μm的矩形截面微通道的壁面沉积MnO2催化剂，并研究了过氧化氢的浓度和流速对单个氧气气泡的生长过程的影响；对容积式微流体燃料电池的阳极结构进行简化，采用高分子聚合材料—聚二甲基硅氧烷加工了当量直径为0.5 mm的异形截面微通道，并将其与相同大小的矩形截面微通道进行对比，对这两种通道内气液两相流动的流型种类以及流型转换开展了可视化实验研究；采用相界面追踪方法—VOF对异形截面微通道内的平行流流型进行数值模拟并对其形成过程进行分析。主要研究结果如下：
　　1）在微通道内，氧气气泡的生长速度随着过氧化氢浓度的升高而加快，随流量的增加有小幅度的降低；气泡的脱离直径随过氧化氢流量的增加而减小，且呈线性关系；气泡的生长过程可以分为快速生长阶段和缓慢生长阶段；建立了微通道内气泡生长模型；氧气气泡的溶解现象说明可以通过控制催化剂面积抑制气泡生长。
　　2）采用氮气和去离子水为工质，在矩形截面微通道内观测到三种稳定存在的流型，分别为泡状流流型(bubbly flow)、弹状流流型(slug flow)、平行流流型(parallel flow)，并绘制了流型转换图；与矩形截面微通道相比，异形截面内凸壁面和多角区的结构没有造成新流型的产生，但是导致流型转换边界发生明显的偏移。
　　3）在微通道内平行流的形成过程中，气相速度明显高于液相速度，速度差导致在流动方向最前端的气相形成子弹状，并在该位置产生速度涡旋；在液相的扰动下，气相分为平行流和弹状流两部分，气弹的移动速度与液相相当；通道内形成稳定的平行流时，截面含气率约为0.15。

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符号说明

1 绪 论

1.1前言

1.2微流体燃料电池概述

1.3微通道内两相流动特性

2 微通道内两相流可视化实验装置及方法

2.1实验系统及装置

2.2微通道内催化表面气泡生长可视化实验元件加工及实验流程

2.3微通道内气液两相流型可视化实验元件加工及流程

2.4本章结论

3 微通道内催化表面气泡生长特性

3.1气泡生长及脱离过程

3.2气泡生长的影响因素分析

3.3气泡溶解过程

3.4本章结论

4 非圆截面微通道内两相流动特性

4.1矩形截面微通道内气液两相流动特性

4.2异形截面微通道内气液两相流动特性

4.3流型转换边界对比

4.4 本章结论

5 异形截面微通道内平行流型的数值模拟

5.1 Fluent软件及VOF方法介绍

5.2控制方程及模型处理

5.3平行流型形成过程及流场分析

5.4本章结论

6 结论与展望

6.1全文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间发表论文

B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目