Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô hình hóa Dòng Chảy Hai Pha trong Chất Rỗng Kị Nước Tương Tác với Cấu Trúc Kị Nước
Tóm tắt
Dòng chảy chất lỏng qua các vật liệu nhiều lớp với hành vi ẩm ướt khác nhau được quan sát trong một loạt các ứng dụng trong các hệ thống sinh học, môi trường và kỹ thuật. Do đó, cần thiết phải hiểu các cơ chế vận chuyển xảy ra của các chất lỏng tại giao diện giữa các thành phần cấu trúc lớp. Một trong những vấn đề đặc biệt quan tâm là việc vận chuyển nước trong các tế bào nhiên liệu màng điện phân polymer. Tại đây, cần phải hiểu các cơ chế vận chuyển nước xuyên suốt các thành phần của tế bào, đặc biệt ở phía cathode, nơi mà nước dư thừa cần phải được loại bỏ. Điều này rất quan trọng để lựa chọn các điều kiện hoạt động tối ưu và cải thiện hiệu suất tổng thể của tế bào. Mô hình hóa quy mô lỗ của các lớp khuếch tán khí (GDL) và bộ phân phối khí đã được thiết lập như một kỹ thuật thuận lợi để nghiên cứu các quá trình đang diễn ra. Điều tra giao diện giữa GDL rỗng kị nước và bộ phân phối khí ưa nước, một thách thức đặc biệt là sự kết hợp và tương tác của các cấu trúc vật liệu khác nhau và các thuộc tính ẩm ướt tại giao diện và ảnh hưởng của chúng đến dòng chảy. Trong bài báo này, một cách tiếp cận mô hình hóa được trình bày, trong đó nắm bắt ảnh hưởng của miền ưa nước đến dòng chảy trong miền rỗng kị nước tại giao diện giữa hai miền. Một mô hình mạng lỗ được sử dụng làm cơ sở cho khái niệm phát triển, mà được mở rộng để cho phép mô hình hóa các tương tác ẩm ướt hỗn hợp tại giao diện. Chức năng của mô hình được chứng minh bằng cách sử dụng các cấu hình ví dụ cơ bản với một và nhiều lỗ giao diện, và nó được áp dụng cho một đại diện GDL thực tế trong liên hệ với một bộ phân phối khí có cấu trúc rãnh-kênh.
Từ khóa
#dòng chảy hai pha #chất rỗng kị nước #cấu trúc ưa nước #mô hình hóa #tế bào nhiên liệu màng điện phânTài liệu tham khảo
Ahn, D.J.: Hydrogel face mask for delivering skin care agents (2010). US Patent App. 12/199,751
Alink, R., Gerteisen, D.: Modeling the liquid water transport in the gas diffusion layer for polymer electrolyte membrane fuel cells using a water path network. Energies 6(9), 4508–4530 (2013)
Alink, R., Gerteisen, D.: Coupling of a continuum fuel cell model with a discrete liquid water percolation model. Int. J. Hydrog. Energy 39(16), 8457–8473 (2014)
Alt, H.W., Luckhaus, S., Visintin, A.: On nonstationary flow through porous media. Ann. Mat. 136(1), 303–316 (1984)
Bazylak, A., Sinton, D., Djilali, N.: Dynamic water transport and droplet emergence in PEMFC gas diffusion layers. J. Power Sources 176(1), 240–246 (2008)
Bear, J.: Dynamics of fluids in porous media. American Elsevier Pub. Co., New York (1988)
Benecke, H., Ivancic, W., Barnes, R., Drotleff, E., Vijayendran, B., Schelhorn, J.: Color masking component for use with feminine sanitary pad and the like (2003). US Patent App. 10/211,830
Blunt, M.J.: Multiphase Flow in Permeable media: A Pore-Scale Perspective. Cambridge University Press, Cambridge (2017)
Cances, C.: On the effects of discontinuous capillarities for immiscible two-phase flows in porous media made of several rock-types. Networks and Heterogeneous Media (2010)
Carrere, P., Prat, M.: Liquid water in cathode gas diffusion layers of PEM fuel cells: identification of various pore filling regimes from pore network simulations. Int. J. Heat Mass Transf. 129, 1043–1056 (2019)
Chase, G., Kulkarni, P.: Mixed hydrophilic/hydrophobic fiber media for liquid-liquid coalescence (2013). US Patent 8,409,448
Chen, S., Qin, C., Guo, B.: Fully implicit dynamic pore-network modeling of two-phase flow and phase change in porous media. Water Resources Research 56(11), e2020WR028510 (2020)
Dahmen, W., Gotzen, T., Müller, S., Rom, M.: Numerical simulation of transpiration cooling through porous material. Int. J. Numer. Meth. Fluids 76(6), 331–365 (2014)
Flemisch, B., Darcis, M., Erbertseder, K., Faigle, B., Lauser, A., Mosthaf, K., Müthing, S., Nuske, P., Tatomir, A., Wolff, M., et al.: Dumux: Dune for multi-\(\{\)phase, component, scale, physics,...\(\}\) flow and transport in porous media. Adv. Water Resour. 34(9), 1102–1112 (2011)
Gostick, J.T.: Versatile and efficient pore network extraction method using marker-based watershed segmentation. Phys. Rev. E 96(2), 023307 (2017)
Joekar-Niasar, V., Hassanizadeh, S.: Analysis of fundamentals of two-phase flow in porous media using dynamic pore-network models: A review. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 42(18), 1895–1976 (2012)
Joekar-Niasar, V., Hassanizadeh, S.M., Dahle, H.: Non-equilibrium effects in capillarity and interfacial area in two-phase flow: dynamic pore-network modelling. J. Fluid Mech. 655, 38–71 (2010)
Koch, T., Gläser, D., Weishaupt, K., Ackermann, S., Beck, M., Becker, B., Burbulla, S., Class, H., Coltman, E., Emmert, S., et al.: Dumux 3—an open-source simulator for solving flow and transport problems in porous media with a focus on model coupling. Comput. Math. Appl. 81(2021), 423-443
Laurindo, J.B., Prat, M.: Numerical and experimental network study of evaporation in capillary porous media. Drying rates. Chem. Eng. Sci. 53(12), 2257–2269 (1998)
Lee, K.J., Nam, J.H., Kim, C.J.: Steady saturation distribution in hydrophobic gas-diffusion layers of polymer electrolyte membrane fuel cells: a pore-network study. J. Power Sources 195(1), 130–141 (2010)
Mehmani, Y., Tchelepi, H.A.: Minimum requirements for predictive pore-network modeling of solute transport in micromodels. Adv. Water Resour. 108, 83–98 (2017)
Molaeimanesh, G., Akbari, M.: Role of wettability and water droplet size during water removal from a PEMFC GDL by lattice Boltzmann method. Int. J. Hydrog. Energy 41(33), 14872–14884 (2016)
Ohlberger, M., Schweizer, B.: Modelling of interfaces in unsaturated porous media. In: Conference Publications, vol. 2007, p. 794. American Institute of Mathematical Sciences (2007)
Oostrom, M., Mehmani, Y., Romero-Gomez, P., Tang, Y., Liu, H., Yoon, H., Kang, Q., Joekar-Niasar, V., Balhoff, M.T., Dewers, T., et al.: Pore-scale and continuum simulations of solute transport micromodel benchmark experiments. Comput. Geosci. 20(4), 857–879 (2016)
Oren, P.E., Bakke, S., Arntzen, O.J., et al.: Extending predictive capabilities to network models. SPE J. 3(04), 324–336 (1998)
Pop, I.S., Schweizer, B.: Regularization schemes for degenerate Richards equations and outflow conditions. Math. Models Methods Appl. Sci. 21(08), 1685–1712 (2011)
Qin, C.: Water transport in the gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell: dynamic pore-network modeling. J. Electrochem. Soc. 162(9), F1036 (2015)
Raeini, A.Q., Blunt, M.J., Bijeljic, B.: Direct simulations of two-phase flow on micro-CT images of porous media and upscaling of pore-scale forces. Adv. Water Resour. 74, 116–126 (2014)
Shahraeeni, E., Lehmann, P., Or, D.: Coupling of evaporative fluxes from drying porous surfaces with air boundary layer: characteristics of evaporation from discrete pores. Water Resour. Res. 48(2012), W09525
Straubhaar, B., Pauchet, J., Prat, M.: Pore network modelling of condensation in gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cells. Int. J. Heat Mass Transf. 102, 891–901 (2016)
Thompson, K.E.: Pore-scale modeling of fluid transport in disordered fibrous materials. AIChE J. 48(7), 1369–1389 (2002)
Torkzaban, S., Bradford, S.A., Walker, S.L.: Resolving the coupled effects of hydrodynamics and DLVO forces on colloid attachment in porous media. Langmuir 23(19), 9652–9660 (2007)
Vanderborght, J., Fetzer, T., Mosthaf, K., Smits, K.M., Helmig, R.: Heat and water transport in soils and across the soil-atmosphere interface: 1. Theory and different model concepts. Water Resour. Res. 53(2), 1057–1079 (2017)
Vidotto, E., Koch, T., Köppl, T., Helmig, R., Wohlmuth, B.: Hybrid models for simulating blood flow in microvascular networks. Multiscale Model. Simul. 17(3), 1076–1102 (2019)
Weishaupt, K.: Model Concepts for Coupling Free Flow with Porous Medium Flow at the Pore-Network Scale: From Single-Phase Flow to Compositional Non-Isothermal Two-Phase Flow. Institute for Modelling Hydraulic and Environmental Systems, University of Stuttgart (2020)
Weishaupt, K., Helmig, R.: A dynamic and fully implicit non-isothermal, two-phase, two-component pore-network model coupled to single-phase free flow for the pore-scale description of evaporation processes. Water Resour. Res. 57(4), e2020WR028772 (2021)
Weishaupt, K., Joekar-Niasar, V., Helmig, R.: An efficient coupling of free flow and porous media flow using the pore-network modeling approach. J. Comput. Phys. X 1, 100011 (2019)
Yu, J., Froning, D., Reimer, U., Lehnert, W.: Liquid water breakthrough location distances on a gas diffusion layer of polymer electrolyte membrane fuel cells. J. Power Sources 389, 56–60 (2018)
Zenyuk, I.V., Medici, E., Allen, J., Weber, A.Z.: Coupling continuum and pore-network models for polymer-electrolyte fuel cells. Int. J. Hydrog. Energy 40(46), 16831–16845 (2015)
Zhang, D., Cai, Q., Gu, S.: Three-dimensional lattice-Boltzmann model for liquid water transport and oxygen diffusion in cathode of polymer electrolyte membrane fuel cell with electrochemical reaction. Electrochim. Acta 262, 282–296 (2018)
Zhou, D., Blunt, M., Orr, F.: Hydrocarbon drainage along corners of noncircular capillaries. J. Colloid Interface Sci. 187(1), 11–21 (1997). https://doi.org/10.1006/jcis.1996.4699