بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از پارامترهای کلیدی تاثیر گذار بر عملکرد پیلهای سوختی ، مدیریت آب است. در ناحیهی شکلگیری قطرات ریز، برهمکنش آنها با جریان گاز به مکانیزمهای نوسانگری میانجامد که اساس مطالعهی تفکیک و جداسازی محسوب میشوند. هدف از این مقاله، ارائه مدلی جهت تحلیل رفتار قطره از آغاز شکلگیری تا جدایش در فصل مشترک میان کانال و غشاء میباشد. با استفاده از نتایج به دست آمده، اثر پارامترهای مختلف از قبیل سرعت گاز در کانال، ویژگیهای سطح و در جدایش قطره مورد ارزیابی قرار گرفت و در مقایسه با کارهای قبلی از دقت مناسبی برخوردار بوده است.
.1مقدمه
پیلهای سوختی پلیمری با توجه به عدم تولید مواد آلاینده محیط زیست و بازده بالا، به عنوان یکی از منابع تولید جایگزین سوختهای فسیلی آتی بشمار میرود. همچنین، مکانیزم عملکرد پیلهای سوختی ساده بوده و بخش متحرکی در داخل آن وجود ندارد لذا از کمترین سطح تولید صدا برخوردارند. علیرغم تمامی مزایای ذکر شده، استفاده تجاری از آن با موانعی مانند طول عمر، قیمت بالای و مداومت کاری آن مواجه بوده است.
یکی از عوامل تاثیرگذار در عملکرد و همچنین، طول عمر پیلهای سوختی پلیمری، مدیریت آب در آنها میباشد. از یک طرف، آب تولید شده برای افزایش رسانندگی یونی غشاء مورد نیاز بوده و کاهش سطح آب در غشاء، عملکرد آن را بشدت کاهش خواهد داد. از طرف دیگر، آب تشکیل شده در لایهی کاتالیستی، از محیط متخلخل توسط نیروی مویینگی به سطح مشترک کانال/لایهی نفوذ منتقل شده و به صورت قطره ظاهر میشود.
قطره ایجاد شده یا در اثر جریان گاز داخل کانال از روی سطح کنده شده و یا به سایر قطرات چسبیده و فیلم مایع در سطح کانال شکل میگیرد. وجود قطره در کانال، افت فشار را در داخل کانال و مقاومت در انتقال جرم را افزایش داده و دما محلی را کاهش خواهد داد. همچنین، پخش غیر یکنواخت واکنشگرها و جریان در پیل سوختی تشکیل آب در داخل کانال، موجب گرفتگی در داخل آن شده و به دنبال آن افزایش افت فشار ایجاد میگردد که با رفع گرفتگی، فشار کاهش خواهد یافت. بررسی جریان دوفاز آب و گاز در داخل پیل سوختی تاکنون موضوع پژوهشهای بیشماری بوده است
علیرغم برخی قابلیتهای این روشها در تحلیل رفتار جریان دوفاز داخل پیل سوختی، اما با ضعفهایی از قبیل عدم تشخیص مرز آب و گاز - روشهای چند فازی و - M2، قابل استفاده نبودن در ابعاد بزرگ - روشهای lb و - PN و سرعت پاسخدهی پایین - روش - [2] VOF زیادی نیز برخوردارند. به همین علت، استفاده از مدلهای دیگر جهت پیشبینی رفتار قطره در کانال و فرایند انتقال آب در داخل عشاء پلیمری مورد توجه قرار گرفته است. این مدلها با سرعت پاسخدهی بالا میتوانند ابزار مناسبی جهت عیبیابی، کنترل و بهبود عملکرد آنها باشند.
شبیهسازی رفتار قطره در فصل مشترک میان کانال و غشاء، اهمیت زیادی در طراحی کانال و غشاء برخوردار است. شبیهسازی عددی شکلگیری قطره، ترکیب و جدایش آنها در داخل کانال با استفاده از روش VOF تاکنون موضوع چندین تحقیق بوده است .[4 ,3] در این پژوهشها، محل قرارگیری قطره روی سطح غشاء در ابتدا در نظر گرفته شده و سپس، رفتار هیدرودینامیکی آن در برهمکنش با جریان داخل کانال مورد مطالعه قرار گرفت.
در این پژوهش رفتار قطره از شروع شکلگیری در روی فصل مشترک کانال و لایهی نفوذ تا جدایش تحت تاثیر پارامترهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. جهت بررسی رفتار قطره، جریان آب در داخل محیط متخلخل توسط مدل دسته لوله تقریب شده و همچنین، برهمکنش میان جریان گاز داخل کانال و قطره، و اثر نیروی وزن نیز بررسی شد.
.2 معادلات حاکم
.1,2 مدل هندسی قطره
استفاده از مدل دسته لوله در بررسی چگونگی انتقال آب ایجاد شده در لایهی کاتالیستی و رفتار آن در فصل مشترک میان کانال / غشاء جهت مدیریت بهتر آب در پیلسوختی مورد توجه قرار گرفته است. مراحل ظاهر شدن قطره در فصل مشترک کانال و غشاء، رشد آن تا جدایش را میتوان در سه مرحله مشحص نمود که در 0 نشان داده شده است. مرحله اول، قطره به صورت قطاعی از کره با طول وتر ثابت روی سطح ظاهر شده که در طول این مرحله، زاویه تماس قطره در حالت سکون ثابت باقی میماند.
در این مرحله، نیروی چسبندگی سطحی میان مجاری محیط متخخل نیروی چسبندگی سطحی را به آن اعمال مینمایند - 0 - الف - . بعد از این مرحله، زاویه تماس قطره در حال سکون تغییر کرده و با رشد قطره در انتهای این مرحله، قطره به شکل نیمکره شده - 0 - ب - و بعد از آن مرحله سوم آغاز میگردد که در این مرحله، قطره به صورت کامل در فصل مشترک کانال/غشاء ظاهر میشود - 0 - ج - . در این مرحله، قطره تحت تاثیر نیروی چسبندگی سطح مشترک کانال/غشاء قرار داشته و با رشد آن طول وتر آن نیز افزایش خواهد یافت.
شکل 1 مراحل شکلگیری قطره - الف - قطاع - ب - نیمکره - ج - کره ناقص
برهمکنش میان قطره و جریان هوا در کانال موجب تغییر شکل قطره خواهد شد که این تغییر شکل تابعی از نیرویهای وارد بر آن میباشد. در بررسیهای گذشته با ارائه مدلی فشرده، تغییر شکل قطره در شرایط کره ناقص به صورت تابعی از مرکز جرم تقریب زده شده است. با استفاده از روابط به دست آمده و ترکیب آنها با معادله بالانس نیروها،جابجایی مرکز جرم قطره با زمان استخراج گردید . لذا با استفاده از این روش میتوان با در دست داشتن موقعیت مرکز جرم قطره، شکل قطره را در هر لحظه محاسبه نمود.
.2,2 تغییرات مرکز جرم قطرهی تغییر شکل یافته
قطره شکل گرفته در داخل کانال، تحت تاثیر نیروی پسای ناشی از جریان گاز داخل کانال تغییر شکل مییابد. جهت شبیهسازی رفتار دینامیکی، شکل شماتیکی قطره قبل و بعد از تغییر شکل در نظر گرفته میشود که در 0 الف و ب، به ترتیب، تصاویر گرفته شده از شکل قطره ساکن و تغییر شکل یافته بهمراه نمایش شماتیکی آن، نشان داده شده است.
با در نظر گرفتن شکل هندسی مطابق با الگوی تجربی به دست آمده، میتوان تغییر شکل قطره را براساس میزان جابجایی آن استخراج نموده و سپس، با استفاده از قانون دوم نیوتن، جابجایی - تغییر شکل - را به نیروهای وارد بر آن مرتبط نمود. در ادامه روابط هندسی حاکم بر قطره و ارتباط تغییر شکل آن با میزان جابجایی استخراج خواهد شد.
شکل 2 تصویر و شکل شماتیکی قطرهی آب بر سطح GDL در شرایط الف - سکون ب - بعد از حرکت
در شرایط سکون، شعاع قطره ساکن - یا حجم آن - ، ، فقط تابعی از طول وتر، ، و زاویه تماس قطره با سطح، ، وابسته بوده ولی با تغییر شکل آن، حجم تابعی از زاوایای پیشرو، ، و پسرو، ، و شعاع قطره میباشد. با فرض این که طول وتر قطره در حالت سکون و بعد از تغییر شکل ثابت میباشد، رابطه آن با سایر متغیرهای هندسی برای قطره ساکن و تغییر شکل یافته عبارت است از :
که در آن V حجم قطره و - = − - زاویه پسماند میباشد. جهت استخراج روابط بین زوایای تماس، قطره در جهت محور z استوانهای با ضخامتی معادل td در نظر گرفته میشود، به گونهای که قطره در هر دو ترکیببندی ایستایی و تغییرشکل یافته، حجم یکسانی داشته باشد.
این مساحت با تصویر نمودن قطره بر روی صفحهی y-z محاسبه میگردد. باید توجه داشت که ε تنها به زاویهی تماس ایستایی، θS، و نه تغییرشکل قطره، وابسته میباشد.
