微型燃料电池流场板研究进展

在环境污染日益严重的今天,作为清洁能源的燃料电池受到越来越多的关注.为了适应便携式设备的需求,燃料电池的微型化成为发展趋势.在微型燃料电池的诸多关键技术中,流场板结构及其加工成为主要困难之一.本文介绍了微型燃料电池的工作原理,探讨了包括流场板形状、微沟道尺寸和流场板开孔率等方面的流场板结构对微型燃料电池性能的影响,综述了基于MEMS技术的微流场板加工工艺.     

T型微小通道内两相流分流与分离调控研究进展

T型通道内的两相流流动和传递过程广泛存在于石油化工、生物制药、电子冷却等各个领域,而伴随社会进一步微型化、精细化的需求,微小尺度下T型通道内的流动过程及界面受力分析研究的重要性逐渐凸显。尺度的减小使得流动过程中主导作用力由重力等体积力转变为毛细力等表面力,界面运动及相作用机理也随之发生变化;同时,在微尺度下,等径与非等径T型微通道使得两相流流动呈现相分流和相分离两种具有本质区别的流动规律。目前,等径微通道中相分流的研究多以实验为主,探索各种因素对两相分流特性的影响,诸如入口流型、表观速度、表面张力等;而真正针对非等径微通道内实现相分离的研究较少,且仅限于关注实现两相完全分离的条件及分离性能。鉴于微尺度尤其是非等径跨尺度T型微通道内相分离界面运动复杂、界面受力难于测量等原因,直至如今,相分离过程中的界面受力分析、分离机理以及相分布的主动调控仍是阻挡多孔结构在多相工质中高效利用的关键科学问题;急需实验与数值相耦合的机理研究,最终实现简单多孔结构在实际多相流场合中的广泛应用。     

薄型金属流场板燃料电池性能研究

对某金属流场板燃料电池进行性能试验,通过与某石墨流场板燃料电池在燃料电池效率和单电池平均电压等性能上的对比,对该电堆的整体性能进行了评价.同时对该金属流场板燃料电池进行了100 h振动可靠性试验,振动后通过对单电池电压的分析,发现该金属流场板燃料电池单电池一致性下降,每次振动后极化特性试验中单电池电压最大值出现的位置并无明显规律,而单电池电压最小值出现的位置为燃料电池的末端.     

T型微通道内气泡生成大小影响因素研究

采用流体体积函数（VOF）方法,对T型微通道中气泡形成过程进行数值模拟研究,根据气泡形成机理,分析了气液流速、流体性质和微通道尺寸等因素对生成气泡大小的影响。研究结果表明,T型微通道内生成气泡长度随气体份额的增加呈指数增加趋势,而在相同气体份额下气液流速对气泡长度影响不大;比较而言,液体粘度和表面张力对生成气泡大小的影响较小,当液相表面张力从0.072 N·m-1降低到0.01 N·m-1时,T型微通道内生成气泡的长度减小了18%,主要是因为在阻塞阶段,最大颈部宽度和塌陷时间减小了;气泡长度随微通道直径的增加而增大,而气泡的无量纲长度基本不受微通道直径的影响。     

并联细通道夹套内流量分配、流场及阻力特性研究

为探究并联弯曲细通道夹套内流体的流量分配、流场分布和阻力特性,用CFD软件对3种型号夹套内流体层流流动特性进行数值研究,分析不同细通道结构尺寸和流体进口流速对夹套内流体的流量分配、流场分布和流动阻力的影响。研究结果表明:细通道截面宽度越小(通道数越多),流量分配不均匀系数越小,流量分配越均匀;细通道内存在稳定的二次流,形式为旋向相反的二涡结构,且弯曲细通道内的流体会偏移靠近通道外壁;进出口压降随着通道截面宽度的减少(通道数增加)而增大。通道截面尺寸为1 mm×3 mm的夹套内流体流量分配均匀性最好,但其进出口压降最大。     

微流体燃料电池性能的预测(英文)

报道了基于微流体技术的燃料电池性能的数值预测.在这种微流体燃料电池中,液态燃料和氧化剂并行流入微通道,电池的内部电流是微通道内离子的横向输运形成的.模型考虑了流体动力、组分的对流和扩散以及发生在电极表面的电化学反应.通过给定一组工作电压,利用FLUENT软件预测对应的电流密度.计算结果表明,计算得到的电池的极化曲线与实验结果吻合较好.随着反应物体积流率的增加,两股流体的混合程度降低,浓度边界层厚度明显减小,电池性能逐渐增加.电池性能对阴极流体中氧气浓度的变化比较敏感,而阳极流体中甲酸浓度的变化对其影响较小.这一计算结果表明这种微流体燃料电池是阴极受限的,这与实验结果一致.     

玻璃质微通道流动阻力特性的数值模拟

针对湿法刻蚀玻璃微通道截面具有圆角形状的特性,采用Fluent6.3软件,对以水为介质的圆角形微通道内的流动特征进行数值计算研究。基于层流流动模型,对不同雷诺数Re、不同形状因子下圆角形微通道的流动压降进行数值模拟;通过结果整理与分析,拟合圆角形微通道Poisueille数Po随截面形状因子α变化的经验公式,即Po=10.161 1-2.408 5α+0.166 0α2+0.480 9α3-0.197 9α4+0.023 4α5;对此经验公式在不同微通道截面和不同黏度流体流动条件下的适应性进行了验证。研究结果表明:雷诺数与截面形状对圆角形微通道流动压降有很大影响;当截面宽度一定时,压降随雷诺数和形状因子的增大而增加;在所研究的雷诺数范围内,圆角形微通道Poiseuille数不随雷诺数的变化而变化,而随截面形状因子的增大而减小;当雷诺数0.01≤Re≤40、截面形状因子0.4≤α≤3.2时,本文中介绍的圆角形微通道阻力系数经验公式均适用。     

流道对ab-PBI膜高温燃料电池阴极传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的流道深度及其宽度对于提高其性能的影响.方法建立了一个二维、单相、稳态数学模型模拟研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气分布规律,分析流道深度及宽度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在高温质子交换膜燃料电池阴极中,氧气浓度沿着流道方向降低,而水分浓度则升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度升高,而水分浓度降低.在一定范围内增大流道深度,电池阴极催化剂层和扩散层内氧气浓度越大,水分浓度越小.在一定范围内增大流道宽度,电池阴极扩散层和催化剂层内氧气浓度越小,水分浓度越大.结论在一定范围内降低流道的深度和增大流道的宽度有利于氧气的传输与充分反应,可以提高高温质子交换膜燃料电池的性能.研究结果对高温质子交换膜燃料电池的流场结构参数的优化具有重要参考价值.     

硅基微型同位素电池的电输出理论模型及仿真

通过辐射伏特效应,研究硅基P-N结微型同位素电池的电输出理论模型.根据该模型,用Matlab编写程序模拟尺寸为1 mm×1 mm的硅基微型同位素电池在3.7×107Bq63Ni放射源照射下的电输出,并用该模型仿真硅基微电池的短路电流Isc、开路电压Voc和最大输出功率Pmax与掺杂浓度的关系.仿真结果表明,开路电压随着掺杂浓度的增加而增大,而短路电流则随着掺杂浓度的增大而减小.同时,获得了电池具有最大输出功率密度时的最优化掺杂浓度参数,最大输出功率的P区、N区最优化掺杂浓度值各为1×1020cm-3和1×1015cm-3.     

梯形横截面微通道内的水蒸气凝结压降实验及其模型修正

通过梯形微通道内水的单相流动摩擦压降和水蒸气凝结压降实验,分析水蒸气冷凝过程及压力和温度等参数对其水蒸气凝结压降的影响,根据实验数据修正Lockhart-Martinelli的两相流压降模型,提出了新的实验关联式,并将实验结果与现有微通道和常规通道的压降关联式进行比较.结果表明:单相层流摩擦因数随Re的增加而缓慢增大;凝结压降在质量流量保持不变的条件下,随干度的增加而增大,在相同千度条件下,随质量流量增加而增大,同时随微通道水力直径的增加而减小;根据实验结果回归得到适用于梯形微通道内凝结摩擦压降Martinelli-Chisholm常数C的关联式.     

轴向流吸附器内部流场特性

以轴向流吸附器内部流场为研究对象,采用CFD软件对其内部气体流动特性进行数值模拟.比较轴向流吸附器内无气体分布器、仅加装单一多孔板气体分布器、加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合等3种方式对吸附器内部流场均匀分布的影响.未加装气体分布器的轴向流吸附器内部气流分布严重不均;仅加装单一多孔板气体分布器的轴向流吸附器内部流场的气体流动稍有改善,但气流分布仍不均匀;加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合的方式,吸附器内部流场的气体流动得到明显改善.多孔板气体分布器与单级挡板组合使用时,保持气体分布器开孔率不变,开孔孔径为0.003 m时气流分布最为均匀,效果最好;保持开孔孔径不变,气体分布器的开孔率为0.388时气流分布最为均匀.     

密度分层流中的浮射流模拟

以垂向密度变化的环境流体为背景,采用k ε紊流模型,建立了垂向二维浮射流的数值模型.模型的求解采用有限体积法和SIMPLE算法.针对密度分层流中的浮射流实验,对垂向密度呈线性变化的垂直浮力射流进行了数值模拟,得到射流的密度场、射流轨迹、稀释度和射流宽度等的分布规律.通过数值模拟和实验结果的对比分析表明,两者吻合较好,所建立的垂向二维浮射流紊流模型能够比较精确的模拟分层环境中浮射流的水流状况和射流进入环境流体的混合状况.     

物质流、能量流与信息流协同的探讨及应用

根据反映生产设备与环节特性的数学模型及能量与生产管理信息系统，对物质流、能量流与信息流的协同进行了探讨，并针对一个一般的工业企业建立了其数学模型。通过实际系统与仿真系统结合形成闭环的信息结构，在每个时间周期根据该时刻的信息流（已知的与预测的）对物质流、能量流进行最优协调，该方法能有助于企业合理使用能量与最优安排生产。     

大系统中物质流、能量流与信息流的基本特征

把大系统中物质、能量和信息的流动综合起来考虑,引入势和阻的概念来分析大系统中物质流、能量流和信息流在流动过程中的基本特征,并从协同学和熵的角度给出了物质流、能量流和信息流子系统的协同结构,使各个子系统相互协调、配合、制约、促进,从而形成3个子系统在时间尺度和空间尺度上的有序结构,最终使得由其组成的大系统达到全局最优,对大系统的综合优化、节能减排、降低物流成本、提高用能效率有指导意义.     

油水气三相流的流型及泡状流向弹状流的转变

油水气多相混输是海上油气田开发中赖以取得重大经济效益的技术,其流动特性的准确计算是管线设计及安全、经济运行的重要依据.首先,通过实验确定出了油水两相混合物由油包水(W/O)向水包油型(O/W)的转变发生在含水率约为0.45时.垂直下降管内油水气三相流的流型基本上可以划分为油包水和水包油型的泡状流、弹状流及环状流.通过对垂直下降管内气泡碰撞、合并机理的分析建立了油水气三相流动过程中泡状流与弹状流间的转变界限的计算式,该转变发生的临界截面含气率约为0.35,计算结果与实验值的平均误差为11%.泡状流向弹状流的转变主要取决于折算气速和折算液速的大小,含水率对转变界限的影响较弱.     

Two-phase flow patterns for flow condensation in small-diameter tubes

Two-phase flow patterns have been observed visually to investigate the effects of tube diameter, mass flux and tube inclination on flow condensation in small-diameter tubes. For horizontal or inclined small-diameter tubes, gravity-domination is decreased by shear stress and surface tension on phase change interface, which weakens the stratification of condensate and vapor flow due to the action of gravity perpendicular to flow direction. As decreasing the tube diameter from 5. 79 mm to 2.18 mm. the annular or sub-annular flows become prevailing in flow regime map. The existing flow regime maps for macro scale cannot predict the experimental data in the present study.     

流场数值计算的等效势流法

在流场的数值计算中,根据势流理论,引入平均水力损失,提出了一个整个流场有旋而局部流场有势的等级势流的概念,不仅在理论上进行了分析和推导,还对某一溢流流场进行了数值计算,并与实验测试的结果进行了比较,从而给出了一个计算简便、计算结果与实际情况更加吻合的流场数值计算方法。     

分隔板结构对挤出流动影响的数值分析

采用有限元数值分析方法,分析了分隔板结构对挤出流动平衡性的影响,指出其调节流动均匀性的效果是非常明显的,对于型材截面上相邻区域壁厚相差悬殊的情况,采用分隔板结构是减小横向流动、提高挤出流动均匀性的最有效措施之一.针对分隔板有限元建模困难问题,提出了用边界约束条件替代模具结构几何特征的方法,其分析结果和采用真实分隔板结构时的分析结果基本一致,说明所采用的处理方法是合理的、有效的,能够大大降低有限元建模的困难性,提高分析效率和速度.     

两相流振荡流动特性的可视化实验研究

为了解决活塞内冷油腔中气液两相流的振荡传热问题,设计并搭建了由柴油机改装的往复振荡实验装置,利用高速摄像技术对内冷油腔实验件中气液两相流的振荡流动过程进行了可视化观测实验,分析在不同转速和液体填充率下实验件中气液两相流在起振阶段和充分振荡阶段的振荡流动形态。结果表明：在起振阶段,气液两相的分界面明显,没有强烈的湍流混合运动,在充分振荡阶段,液体的运动规律及流动形态呈周期性变化;转速主要影响气液两相流的湍流强度,填充率主要影响气液两相流的流动形态。研究结果揭示了内冷油腔中气液两相流的振荡流动规律,可为高强化活塞的结构优化设计提供参考。     

Stability of stratified flow and slugging in horizontal gas-liquid flow

A transient one-dimensional two-fluid model is proposed to investigate numerically the interfacial instability and the onset of slugging for liquid-gas flow in a horizontal duct. In the present model, the effects of surface tension and transverse variations in dynamic pressure are taken into account. The evolution of interfacial disturbances is displayed and compared with the linear viscous Kelvin-Helmholtz stability analyses. It shows that interfacial wave is more instable due to the non-linear effect. The model predicts well the stability limit of stratified flow in comparison with the experimental data, and also automatically tracks the onset of slugging. The results show that the initiation of hydrodynamic slugging is related to local interfacial instability. Based on the cycle of slugging, a model for slug frequency is presented, which predicts the trends of slug frequencies with gas/liquid flow rate well in comparison with the available data. The effects of physical properties on slugging have been examined. It is found that with the increase in the gas viscosity and liquid density the slugging would be inhibited, whereas, with the increase in liquid viscosity and gas density, the slugging can be promoted.