过程工程学报 ›› 2023, Vol. 23 ›› Issue (12): 1627-1636.DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223096CSTR: 32067.14.jproeng.223096
王杰敏1, 张赛1*, 王庆泰1, 王宪军2
Jiemin WANG1, Sai ZHANG1*, Qingtai WANG1, Xianjun WANG2
摘要: 提出了一种重构碳纤维气体扩散层(GDL)微观结构的新方法,用于研究粗糙孔隙通道内速度场对GDL渗流量的影响。利用粗糙元和分形理论得到GDL内部孔隙通道随机分布模型,通过区分通道壁面亲/疏水性,得出了弥散速度占比、滑移增强系数、黏性增强系数和微尺度效应增强系数四种参数,并以此作为控制因素重构更加准确的内部速度分布,结合Darcy定律得到有效渗流系数模型。对GDL孔隙通道内部液态水的流动过程进行模拟,分析了不同粗糙度和接触角对液态水传输性能的影响。研究结果表明,孔隙通道粗糙元随机分布和不均匀流固耦合作用影响扩散层内部弥散速度、黏性、滑移速度的分布,四种控制因素共同作用于液态水的流动过程并促进液态水排出;相同粗糙度情况下,接触角为0o~180o时,亲水壁面滑移效应的促进作用大于弥散效应和黏性的抑制作用的程度逐渐增加,疏水壁面滑移效应的促进作用大于弥散效应和黏性的抑制作用的程度逐渐减小,流量变化曲线的斜率先显著增加后逐渐减小。新建立的扩散层内部液态水有效渗流系数模型可准确描述GDL内部液态水的流动规律,对GDL内部水管理具有一定的指导意义。