太阳能光催化分解水气泡动力学研究进展

太阳能光催化分解水制氢中的气泡动力学,涉及多物理场和光催化反应之间的相互作用,相比传统的沸腾换热和电解水领域气泡动力学更加复杂且具有独特性。本文从光催化分解水基本原理出发,综述了催化剂表面气泡成核生长动力学规律及其行为调控的研究进展。对于光催化分解水的气泡成核尺度和过饱和度,可以通过经典成核理论估算,然而受现有测试方式的制约,尚无法同时获取高空间和高时间分辨率的成核过程信息。对于催化剂表面气泡的生长规律,通常可由惯性控制、扩散控制和化学反应控制3种机制进行描述,而决定气泡生长控制机制的关键是有效反应表面与气泡尺寸的相对大小。为了有效降低气泡覆盖对光催化反应系统带来的负面影响,可通过添加表面活性剂、调节催化剂表面结构和润湿性为主的被动调控方式,以及施加外部流场、声场、磁场和周期性光照为主的主动调控方式,对气泡行为进行定向调控加以实现。当前研究面临的主要挑战是揭示光催化分解水过程中复杂物理场作用下的相间作用和能质输运机理,从而为未来低成本、高效利用太阳能光催化分解水制氢应用提供指导。

低温液氧贮箱晃动过程热力耦合特性

采用计算流体力学(CFD)技术数值研究了外部晃动激励下低温液氧贮箱内部热力耦合过程。计算中详细考虑了贮箱外部漏热以及气液相间传热的影响,分析了正弦激励对箱体所受晃动力、流体反作用晃动力矩、箱体压力以及箱内流体温度分布的影响。计算结果表明:外部正弦激励使箱体所受晃动力以及流体晃动力矩呈波动降低的变化;晃动使过冷液体对过热气相以及高温壁面产生良好的冷却作用,以致在整个过程中箱体压力近似线性降低。对于气液相温度测点,其距离界面越近,受流体晃动影响越显著。整体上,贮箱内部流体温度呈现上部高下部低、外部高内部低的分布。由于处在贮箱顶部的气相温度测点受箱体上封头影响较大,气相温度出现大幅波动;而处在贮箱底部的液相温度测点直接接受壁面对流换热,其温度值略高于其他液相测点。

低温液氧箱体自由界面晃动动态响应

采用计算流体力学(CFD)技术数值研究低温液氧贮箱在外部晃动激励下箱内气液界面动态响应。计算中详细考虑了外部漏热以及气液相间相变对箱体热力耦合过程的影响,通过用户自定义程序将外部正弦激励加载到低温贮箱壁面作为动量边界,采用流体体积(VOF)方法精确捕捉晃动过程气液界面波动变化。通过与相关晃动实验结果对比,验证了本文所构建数值模型的有效性。基于所构建数值模型,对流体晃动进行数值模拟,获得了外部正弦激励下,箱体内部气液相分布以及界面形状变化;通过设置动态监测点,分析了气液界面晃动动态响应。结果表明,流体晃动对低温贮箱内部气液界面动态响应具有较大影响。为抑制流体大幅波动,需采取合适的防晃措施。

光电分解水过程气泡动态行为调控研究

光电催化分解水制氢技术是目前最有前景的清洁利用太阳能的技术之一,其气体产物主要以气泡的形式输运,气泡的演化规律和动态行为特性影响着系统的传热传质及化学反应速率。本文通过搭建光电催化分解水气泡动态行为可视化实验平台,研究了气泡在水平电极表面的演化规律,探讨了气泡在表面化学反应控制下的生长机理;进一步提出了一种通过外部斩光调控气泡动态行为的方法,发现节律性斩光可使气泡在水平电极表面发生弹跳,并得到了弹跳气泡的动力学特性;通过控制电子快门开关时间调节气泡弹跳特性,得到了气泡返回次数和生长时间在不同斩光模式下的变化规律.