质子交换膜燃料电池微扩散层孔隙结构与渗透率的孔隙尺度模拟

运用基于球体的模拟退火方法和动态颗粒堆积模型数值重建了微扩散层(MPL),其中前者更能准确地反映多孔介质的孔隙特性.利用具有多反射固体边界的多弛豫时间格子玻尔兹曼方法模拟了重建的微扩散层内的单相流动.系统地分析了碳相体积分数、聚四氟乙烯(PTFE)载量、孔隙率和PTFE分布方式对微扩散层孔隙结构和渗透率的影响.结果表明:微扩散层渗透率随碳相体积分数和PTFE载量的增加而减小,且PTFE的分布方式影响微扩散层的孔隙结构和渗透率.KC关联式低估了MPL的渗透率,通过拟合计算数据提出了预测MPL渗透系数的关联式,预测结果与孔隙尺度模拟结果的相对误差小于12%.     

多点地质统计学在三维岩心孔隙分布建模中的应用

介绍多点地质统计学及其用于三维岩心孔隙结构建模的原理和方法。基于多点地质统计方法,以均质性较好的Fontaineblean砂岩的二维薄片为基础,重构三维孔隙结构模型,并且应用局部孔隙度理论和渗流概率函数进行准确性评价。结果表明:由此获取的孔隙结构模型与真实三维岩心孔隙分布十分相近,且具有相似的均质性和孔隙连通性;重构的三维孔隙结构模型不仅可以用来表征真实岩心的孔隙连通性和均质性,而且也可以作为其他物理特性模拟的基础。     

渗透式纤维空气分布系统空气速度分布特性

基于多孔介质模型建立了渗透式纤维空气分布系统的计算流体动力学(CFD)仿真模型,通过数值模拟和实验测试对比分析了渗透送风时纤维空气分布系统内部空腔区域及表面空气流动特性.结果表明:送风时空腔内部空气流速呈辐射状向四周衰减,沿垂直于纤维壁面的方向向外扩散,然后向下方聚集流动;两侧空气流速低于下方区域的空气流速,且沿管长方向空气流速分布均匀;空气在纤维结构层的微孔隙中的流动状态属于非达西流.     

气体扩散层亲疏水特性对流体分布的预测

采用伪势两相格子玻尔兹曼方法（LBM）研究了非增湿条件下碳纸和碳布气体扩散层（GDL）的流体流动状态。通过随机方法和X射线扫描法构建了气体扩散层样本。为确保模型中表面张力和接触角计算的准确性，采用玻璃微珠模型进行验证，随后通过调整气体扩散层的亲疏水特性，分析流体在气体扩散层中流动的实时状态，得到了亲疏水特性对孔隙结构内水饱和度的影响规律。结果表明：疏水性气体扩散层中的水分布与亲水性气体扩散层中的水分布明显不同，较大的疏水性更有利于气体扩散层内水的排出；疏水性更强的气体扩散层显著提高了液态水进入气体扩散层的入口压力，导致催化剂层（CL）更容易受到水渗透的影响。     

基于孔隙尺度的燃料电池气体扩散层结冰研究

针对燃料电池用气体扩散层内液态水在孔隙尺度下的动态结冰过程,首次引入了一种介观模拟尺度方法——格子Boltzmann方法.首先,构造燃料电池用真实气体扩散层三维微孔隙结构;其次,通过一维半无限大空间凝固热传导、二维直角区域凝固和二维介质方腔凝固三组数值试验严格考察该凝固模型中液态水、固体冰和碳纤维不同热物理参数选取的精确性,证明引入的格子Boltzmann方法在研究燃料电池气体扩散层中结冰现象的有效性;最后,针对孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的二维气体扩散层在孔隙尺度下的结冰过程进行模拟研究.模拟结果表明,对应孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时,气体扩散层孔中液态水完全结冰量纲一时间F_0分别为2.67、3.11、3.68、4.31和4.84,有自然对流情况下的结冰时间F_0比无自然对流时分别减少0、0、0.001、0.001和0.007.     

基于激光共聚焦显微镜的细胞骨架结构分析

肌动蛋白微丝是细胞骨架的主要组成部分,已有研究表明细胞的黏附状态会通过影响微丝结构来调控分化和凋亡等生物学行为.目前观察微丝结构的主要方法是利用激光共聚焦显微镜进行荧光成像,但通常只针对微丝的二维结构进行分析,很少有研究关注微丝的三维结构信息.本文针对这个问题,提出一种基于激光共聚焦显微镜技术的细胞微丝三维重建方法.此方法利用三维高斯函数拟合共聚焦显微镜的点扩散函数,并将函数的x-y方向与z方向解耦,得到z轴光强的高斯分布形式.随后通过图像处理方法得到细胞中主要纤维的几何参数,再对纤维图进行拟合计算、密度聚类、椭球拟合等操作,提取微丝纤维的三维空间信息.本文还利用微模式化方法构建了面积为1256μm~2的圆形以及枝条形微模式化基底,将骨髓间充质干细胞培养于两种基底上,并通过荧光染色方法获得微丝结构的荧光图像,进而应用所建立的方法对细胞微丝图像进行三维重建和分析.分析结果显示,两种形状细胞中微丝取向、交联点数目、体积和长细比等参数的空间分布有显著差异,表明细胞中的力学状态受到铺展形状的影响.本研究旨在建立一种提取细胞微丝三维结构参数的方法,从而可为揭示细胞内部力学转导机制提供研究基础.     

基于骨架网络模型的岩石粒径分析方法

应用扫描电子显微镜,获取岩石的二维灰度图像,并进一步分割得到岩石的骨架和孔喉结构。利用马尔可夫链蒙特卡洛法构建三维数字岩心,提取相应的三维孔隙网络模型。根据其逆过程提出骨架网络模型的提取方法,可对岩石粒径进行定量分析。最后对三块低渗透岩心样品的颗粒半径、孔隙半径和喉道半径等结构参数进行对比分析,得到各样品结构参数之间的定量关系。研究表明,基于网络模型的岩石粒径分析法能够快速获取岩石的结构参数,对油藏岩石结构参数进行定量表征,大大缩短实验数据获取周期,为岩石结构参数分析提供了一套有效的研究思路。     

基于CT扫描的天然气水合物储层微观孔隙结构定量表征及特征分析

基于X射线CT技术对祁连山木里研究区水合物储层岩心样品进行扫描与成像,进而构建数字岩心三维模型,并将最大球算法应用于相应孔隙网络模型的提取,实现岩心孔隙结构的三维显示,应用数值模拟方法获取孔喉尺寸分布、配位数等岩心孔隙结构参数,最终实现水合物储层微观孔隙结构的定量表征。此外,对不同微观孔隙结构参数与储层物性的相关关系进行分析。结果表明:研究区水合物储层物性差、孔喉半径小;储集空间主要以粒内溶蚀孔隙、粒间溶蚀孔隙与微裂缝为主,以原生孔隙为辅;微观孔喉结构参数主要影响储层的渗透率,对孔隙度的影响相对较小。     

岩石三维网络模型构建的实验和模拟研究

岩石网络模型的构建是实现微观渗流实验和模拟研究有机结合的关键技术之一．提出了基于CT扫描图像的三维网络模型的构建方法．借助工业用微焦点CT系统,获取一系列的能够真实描述岩石的微观孔隙结构和流体分布的CT切片图像．在提取孔隙空间骨架、喉道信息以及孔隙信息的基础上建立相应的网络模型,实现CT三维图像信息向孔隙／喉道大小分布以及拓扑信息的转化．这种方法的特点在于能够在保持几何学特征和流动特征不变的情况下用简单的几何形状的孔隙和喉道来表征岩石内复杂的孔隙空间．将水驱和聚合物驱CT实验与网络模拟结果对比,所建三维网络模型计算参数与室内实验获得的孔隙度、绝对渗透率、相渗曲线和微观剩余油分布等结果吻合较好,表明该网络模型能很好地表征岩石微观的孔喉尺寸和拓扑性质．     

红黏土三维孔隙结构建模与渗透性能分析

为探讨土的微观孔隙网络和渗流,通过高斯随机场二相化理论来表征孔隙介质基质与孔隙的方法,构建了满足真实土体孔隙率和孔径分布,且具有随机形态的三维孔隙模型。基于所建模型,采用数学形态学图像分析方法,提取与渗流有关的参数,并采用Kozeny-Carman方程计算了模型的渗透率。结果表明：与实验数据相比结果相近,验证了该方法的可行性。研究结果为孔隙介质微观建模与渗流分析提供了一种新的思路与方法。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层制备过程材料表征和孔尺度模拟计算

为研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）气体扩散层的制备方法对其结构和性能的影响,将聚丙烯腈基碳纤维原纸作为前驱体,以酚醛树脂作为粘结剂,采用热压、碳化、石墨化等工艺制成气体扩散层,考察在原纸浸渍的过程中,不同质量分数酚醛树脂乙醇溶液对气体扩散层结构和性能的影响。利用扫描电子显微镜、汞侵入法、四探针法等进行性能表征,并利用X射线断层扫描技术获得气体扩散层的三维结构,通过孔尺度模拟进行性能计算。结果表明,采用实验表征方法和模拟计算方法可以更加准确和清楚地对气体扩散层性能进行表征,在使用15%质量分数酚醛树脂乙醇溶液浸渍原纸时,可以得到与商用气体扩散层相等的78%孔隙率,同时将电阻率降低了30%左右。     

质子交换膜燃料电池膜电极关键材料研究进展

膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术部件,本文根据其构造综述了近几年国内外在膜材料、电极催化剂和气体扩散层方面的研究进展,包括Nafion改良膜、磺化聚芳烃（SPA/SPE）类膜、Pt改性催化剂、非贵金属催化剂以及气体扩散层。对各种材料进行了评价和比较,并指出今后应着眼于Nafion膜的简便改良方法、芳香烃聚合物共混膜的研制、含有Co、N等电极催化剂的研究以及具微孔层、表面较粗糙、疏水性较大的扩散层的研发。     

质子交换膜燃料电池用气体扩散层--碳纤维纸的制备

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理,并通过分析气体扩散层材料的性能要求,设计了一条制备高性能碳纤维纸的技术路线.对制得的碳纸样品进行了显微结构和基本性能的表征,同时还将它应用于PEMFC的单电池中进行综合性能的测试,测试结果表明,按照这种技术路线制得的碳纤维纸在性能上基本能满足PEMFC的使用要求.     

一种权重的高阶扩散图像盲复原方法

为了实现对模糊噪声图像的清晰化盲复原,提出了一种权重的高阶扩散图像盲复原方法。首先,在模糊核的估计阶段,运用一种各向异性扩散的图像结构提取策略和shock滤波器将图像中的强边缘准确地提取出来,并利用提取的图像强边缘实现对模糊核的准确估计;然后,在图像的复原阶段,利用高阶扩散模型和权重平衡参数,针对复原图像,提出了一种权重的高阶正则化约束来实现图像的清晰化复原;最后,运用了一种分裂的布雷格曼(split Bregman,SB)最优化迭代策略对提出的方法进行最优化求解。实验结果表明,较近几年的一些具有代表性的图像盲复原方法相比,不仅主观的视觉效果得到了较为明显的改进,而且客观的峰值信噪比也增加了1.0~2.7 dB。     

气体扩散层集流体对Ni(OH)2纳米结构电化学性能的影响

We report the electrochemical performance of Ni(OH)₂ on a gas diffusion layer (GDL). The Ni(OH)₂ working electrode was successfully prepared via a simple method, and its electrochemical performance in 1 M NaOH electrolyte was investigated. The electrochemical results showed that the Ni(OH)₂/GDL provided the maximum specific capacitance value (418.11 F·g?1) at 1 A·g?1. Furthermore, the Ni(OH)₂ electrode delivered a high specific energy of 17.25 Wh·kg?1 at a specific power of 272.5 W·kg?1 and retained about 81% of the capacitance after 1000 cycles of galvanostatic charge–discharge (GCD) measurements. The results of scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) revealed the occurrence of sodium deposition after long-time cycling, which caused the reduction in the specific capacitance. This study results suggest that the light-weight GDL, which can help overcome the problem of the oxide layer on metal–foam substrates, is a promising current collector to be used with Ni-based electroactive materials for energy storage applications.     

等离子体显示中基于边缘检测的动态误差扩散方法

针对交流等离子体显示器中的常规误差扩散方法因误差扩散系数固定导致反映图像细节轮廓损失的问题，提出了一种基于边缘检测的动态误差扩散方法．该方法在对每个像素的误差扩散处理过程中，先沿误差扩散方向进行边缘检测，再根据边缘检测结果动态地选择误差扩散系数组及调整各个方向的误差扩散系数，使得误差扩散系数与轮廓特征相关，减小了误差扩散过程中造成图像细节轮廓损失的累积误差．仿真结果表明，将新方法应用于交流等离子体显示器中，不仅能够减少因较少子场引起的假轮廓，同时还可以避免由于常规误差扩散方法中固定误差扩散系数引起的轮廓细节损失．     

辛烷和空气逆向流扩散火焰的数值模拟

以多孔壁注入燃料流与逆向空气射流所构成的有燃烧的层流边界层流动为研究对象,建立了一组描述在边界层中有气相反应的偏微分方程组.该方程组经相似变换和线性化,然后采用带系数的牛顿迭代法求解.首先对甲烷和空气逆向流扩散火焰结构进行了算例分析与结果验证,然后对目前尚属首例的辛烷和空气逆向流扩散火焰进行了预测分析,其中燃烧反应计算涉及51种化学组分、369步基元反应.     

相干增强扩散与冲击滤波相结合的指纹增强算法

自动指纹识别系统(AFIS)的性能严重依赖于输入指纹的质量,因此有效指纹增强算法对该系统具有重要意义。针对相干增强扩散滤波增强的指纹图像会出现边缘模糊,以及谷线与脊线间对比度较低的现象,提出使用冲击滤波和相干增强扩散的加权模型方法,既能保持相干增强扩散的优势,又能锐化指纹脊线边缘,以及增强指纹脊线与谷线的对比度。增强的主要过程为,建立一个相干增强扩散和冲击滤波的加权组合模型,加权函数是以指纹梯度为自变量,使得在扩散过程中在图像边缘处以冲击滤波为主,在脊线与谷线内部则以相干增强扩散为主。实验表明,使用这种方法,能得到更加清晰的指纹图像,便于之后的二值化与细化过程处理,使得自动指纹识别系统具有更好的性能。     

盾构克泥效浆液成分与渗透扩散研究

克泥效工法常在盾构隧道近接既有建筑物穿越工程中被引进作为控制地层位移的一种辅助工法,克泥效浆液在地层的渗透扩散性对盾壳与地层间环向间隙填充效果有着重要影响,克泥效浆液的流变性能与其微观成分对其流动性有着重要影响。本文基于对克泥效浆液流变性能与微观成分分析,研究了浆液性能变化。进一步结合宾汉姆流体砂土渗流公式与数值计算模型,分析了浆液性能对渗透效果的具体影响,并验证数值模型可靠性与合理性。结果表明:(1)各组克泥效浆液样本在宾汉姆本构下的非线性回归系数均大于0.95,塑性黏度与屈服强度会随着水粉比的减小而增大。(2)克泥效浆液主要成分为石英、斜长石、伊利石、钾长石,随着A液水粉比的增加,克泥效水化产物斜长石增加,而伊利石的含量减小。(3)克泥效浆液会在25s左右占满环向间隙,而后再向地层中发生渗透扩散,地层中浆液体积分数增速随时间而减小,直至增速降为0。(4)随A液水粉比增大、地层渗透系数增加、注浆压力增加,克泥效在地层渗透距离均会增加。理论渗透值与数值模型计算值误差在各工况下的平均误差控制在10%以内。