微小槽道内微孔壁面逸出气泡动力学行为及特性

【摘要】：孔口鼓泡作为气液两相流的基本问题，在各类工程应用中均广泛涉及，特别是在能源、化工、环境等领域，如直接甲醇燃料电池、污水处理、喷气减阻、气液接触器等。气泡的行为及气液两相流动行为将直接影响到设备的传热传质性能甚至关系到相关设备的使用安全性。以直接甲醇燃料电池为例，多孔气体扩散层作为电池的关键部件，在电池的运行过程中起着重要的作用。它大多是由碳纤维构成的多孔介质材料，其孔隙尺度在几微米到几百微米之间。而阳极通道内的气泡便是从该尺度的微孔溢出。气泡的行为与多孔气体扩散层内气液两相的传输行为有着直接的联系，而这又将影响到电池的运行性能。因此研究微孔孔口鼓泡行为及多孔介质内气液两相传输行为对优化电池结构、提高电池性能具有重要的意义。 现有针对孔口鼓泡行为的研究主要是在具有毫米尺度的气体逸出孔下进行的，而要获得微孔鼓泡行为动力学特性还有待进一步研究。因此，本文通过可视化实验，利用高速摄影及数字图像处理技术，研究了微孔孔口鼓泡及气液两相流动行为特性。主要的研究内容和结论如下： ①实验研究了滞止流体中微孔鼓泡行为特性。捕捉并跟踪了气泡的运动，获得了气泡的特征参数，如体积、形变及运动速度等。分别对气体逸出孔尺寸、气体流量等对孔口气泡的生长及系统鼓泡行为进行了分析。获得了系统鼓泡周期性、流型及其转变特征。实验结果表明：随着孔径的减小，气泡脱离体积、脱离时间及等待时间均有所减小；微孔孔口气泡生长过程中，稳定生长阶段占主导，而小尺寸孔条件下，气泡缓慢生长阶段则占主导；发现了微孔条件下所特有的微气泡涌入现象，而该现象则与气泡断裂方式有关。基于Young-Laplace方程，建立了滞止液体内孔口气泡生长的非球状模型，得到了气泡形态及其特征参数随时间的变化规律。并分析了气体逸出孔尺寸及壁面润湿性对气泡行为的影响。模拟结果与实验结果吻合较好。 ②实验研究了带液体扰流的微小尺寸通道内微孔鼓泡行为及气液两相流动特性。跟踪了气泡串的运动轨迹，获得了气泡形成及运动过程中的尺寸、形变及速度等特征。分别讨论了气体流量、液体流量以及槽道倾斜角度等对鼓泡行为及两相流动特性的影响。实验结果表明：微小通道内气泡将经历生长、涌入、减幅振荡和稳定运动四个阶段；增大气体流量，气泡间聚并加强，微小通道内形成的气泡尺寸更为集中，运动速度增大；增大液体流量后，气泡进入稳定运动阶段的位置提前。发现了通道角隅处微气泡的堆积现象，不同工况下，微气泡的堆积程度及其位置有所不同。 ③实验研究了微通道内单/多气体逸出孔孔口鼓泡行为特性。提取了气泡的特征参数、跟踪了气泡串的运动并对鼓泡周期性进行了分析。实验结果表明，随着气体流量的增大，通道内流型将逐渐从泡状流向平行流转变；在单气体逸出孔条件下，通道内形成的气泡尺寸随着气体流量的增大，先增大而后保持稳定；增大液体流量后，形成的气泡尺寸减小且分布更为集中；系统鼓泡行为在较低气体流量下及中等液体流量下，表现出了较强的周期性。在并联三气体逸出孔条件下，发现了气体通路的选择性行为。而该行为将受到气体流量及气体逸出孔排列方式等因素的影响。 ④实验研究了楔形微通道内气泡行为及两相流动特性。分别对气泡运动过程中的形状及运动速度变化规律，以及系统鼓泡周期性进行了分析。讨论了气体流量及液体流量对通道内鼓泡行为及两相流动特性的影响。实验结果表明，气泡在渐扩通道内运动的过程中，气泡纵向被拉伸，最终断裂而脱离一侧壁面，并易与后续气泡发生聚并；随着气体流量的增大，通道内两相流流型逐渐从泡状流向平行流转变；增大液体流量后，通道内形成的气泡尺寸减小、分布更为集中，系统鼓泡频率增大。基于气液界面形态变化及三相接触线的稳定性，建立了楔形微通道内气液界面受力分析模型。并对楔形通道内的液体侵入及驱替过程进行了模拟，发现模拟结果与实验结果吻合较好。进而分析了槽道夹角、壁面润湿性等因素对楔形通道内液滴形态及界面毛细力的影响。得到了楔形通道内的液滴存在平衡位置的条件。 ⑤实验研究了带均匀和非均匀网络结构渗透边界的微通道内气液两相流动行为及气液两相流动特性。提出了一种网格适配的图像处理方法，获得了网络结构通道内的气液两相分布。实验结果表明：随着气体流量的增大，系统稳定后液相饱和度减小，主通道内气体逸出点数目增多；增大液体流量后，液体侵入网络通道的速度增大，最终液相饱和度增大；供气孔位置、数量以及网络结构通道尺寸及其分布对液体的侵入过程、网络通道内的气液两相分布以及主通道内的鼓泡周期性均有着重要的影响。