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简要介绍燃料电池及其研究和发展现状,着重论述质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFC)的工作原理和结构,电池各部件中存在 的力学问题和基本的结构设计原理、 方法;基于计算流体动力学(CFD)原理的电池 仿真和优化过程及基本数学模型和软件平台.     

微型燃料电池制备及其微通道摩擦性能的研究

阐述了微型燃料电池的制备过程,结合传统燃料电池数学理论和微流体力学,建立了微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)的数学模型,分析了微通道特性(如摩擦系数和水力直径等)对微型燃料电池性能的影响.结果表明:运用Fluent软件对模型进行计算的仿真结果与公开实验数据基本符合,验证了模型正确性;而传统模型的仿真结果小于真实值;当气道的水力直径Dh从348降至100时,电池性能有所上升;而当Dh值降至61.1时,其性能有所下降.     

微孔膜对锌空气电池失水的影响

将不同规格的微孔膜覆盖于锌空气电池气体扩散电极表面,探究微孔膜对锌空气电池失水和性能的影响。实验结果表明:在微孔间距小于临界间距时,覆盖微孔膜可使锌空气电池的失水量减少40%~80%,而不会阻碍氧气的传输。微孔数目越少,电池失水量越少,放电性能也越好。当微孔间距达到临界值时,电池失水量达到最小值。氧气在微孔膜上的通量远高于水蒸汽在微孔膜上的通量。     

质子交换膜燃料电池扩散层电阻的实验研究

气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组件,其与极板之间的接触电阻是燃料电池内阻的重要组成部分,也是导致燃料电池功率损失的重要因素。为了得到扩散层与极板间接触电阻以及扩散层本体电阻,首先在扩散层试样表面溅射厚度为50nm的金属铜,再在实验室搭建的燃料电池压力-位移测试平台上用四点法测得试样的总电阻,而后用斜率-截距法分离了气体扩散层本体电阻和其与极板的接触电阻,计算出了相应的电阻率,得到了压力和接触电阻之间的关系。结果表明,接触电阻随着接触面压强的增大而减小,接触电阻率和接触压强关系满足经验公式ρ=43.39P-0.725。     

多沟槽水润滑橡胶合金轴承润滑特性研究

建立了考虑多沟槽润滑结构和实际工况边界条件的水润滑橡胶合金轴承弹流润滑数学模型,数值计算了有无沟槽以及沟槽半径对润滑性能的影响.计算结果表明：沟槽对水润滑橡胶合金轴承润滑性能影响显著,即在沟槽处膜厚较大,压力较低,而在承载区膜厚较小,压力较高,周向方向上压力分布不连续,并且在最小膜厚处轴向方向的入口和出口附近出现了两个压力峰值;水膜压力和最小膜厚均随沟槽半径的增大而减小;承载能力随偏心率增大而增大,随沟槽半径和过渡圆弧半径的增大而减小;摩擦系数随转速增大而略有增大,随沟槽半径的增大显著增加.     

不同拉压特性的双层厚壁圆筒极限承载力解答

采用统一强度理论并考虑材料拉伸与压缩弹性模量的差异性,建立均匀内压作用下双层厚壁圆筒的应力表达式,获得了其内压相应的弹性极限解答、塑性极限解答,并分析拉压强度比、拉压模量系数、统一强度理论参数、半径比及分层半径对弹性、塑性极限内压的影响规律．研究结果表明：弹性、塑性极限内压随拉压强度比的增加而减小,但随统一强度理论参数、半径比的增加而增大;弹性极限内压随分层半径的增加呈现先增大后减小变化,随拉压模量系数的增加而一直减小;塑性极限内压与拉压模量系数、分层半径无关．应用于实际工程时,可根据所得结果选择合理的壁厚及分层半径,再根据材料特性确定其他参数,以便更加准确地计算结构的受力状况．     

锌空气电池电极表面渗液现象的研究

渗液问题是锌空气电池的主要问题之一.本文通过如下实验:聚四氟乙烯膜(PTFE,poly tetra fluoro ethylene)表面特性实验、电池风冷放电、空气电极电压实验和类列斯实验,对可能影响电池渗液的因素进行了研究.这些因素包括:PTFE膜、温度、电压、电荷总量、电解质溶液.实验结果表明:PTFE膜经过KOH溶液浸泡一段时间后,其接触角会显著变小,疏水性变差;温度和电压会对渗液现象产生影响;在各类电解质溶液中,KOH溶液渗液最严重;放电过程中的电荷总量对渗液问题基本没影响.实验结果分析得出,这类电池渗液主要是由于上述因素导致电解液表面张力变化,引起气液界面移动导致的.     

激光熔覆原位合成TiCp／Al复合材料表层的滑动摩擦磨损性能

在 MM- 2 0 0型环块磨损试验机上 ,以 HT2 0 0材料为摩擦偶件 (环 ) ,研究了含不同体积分数 Ti C颗粒的原位合成 Ti Cp/ Al复合材料表层的摩擦磨损性能 .结果表明 :当 Ti C体积分数小于 2 0 %时 ,随着体积分数增加熔覆层的磨损量逐渐减小 ;而当体积分数大于 2 5 %时 ,随着体积分数的增加熔覆层的磨损量反而逐渐增大 ;与 DL 7和 ZL 10 4材料相比 ,当颗粒体积分数为 2 0 %时 ,复合材料表层的磨损量只有 DL 7材料的 2 6 .7% ,ZL 10 4材料的 5 6 .5 % ;此外 Ti C颗粒体积分数对摩擦系数的影响不大     

电磁极宽度对圆柱绕流场影响的数值分析

在雷诺数Re=200的情况,利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,在各种电磁力作用参数和电磁极宽度的组合下,对表面覆盖电磁极圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,当电磁极宽度较小时,圆柱体绕流场的分离点越容易接近后驻点,而电磁力对总阻力的影响并不明显,但对压差和摩擦阻力均有明显影响.当电磁极宽度较大时,圆柱体尾部区域越容易产生射流现象,而且总阻力随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而减小.在电磁力尚不足以完全抑制周期性涡脱落的情况下,升力幅值随电磁力作用参数增大而减小,但随电磁极宽度则先减小后略有增加,升力脉动频率则均随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而增加.研究表明,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小圆柱体阻力并抑制其脉动升力之目的,因此是圆柱型结构的一种有效流动控制手段.     

可熔融加工PTFE对FEP在干/湿环境中摩擦磨损性能的影响

为建立含氟聚合物的使用性能与干湿工作环境的关系,采用热压成型的方式制备聚四氟乙烯(PTFE)试样,并通过挤出注塑成型方法制得可熔融加工PTFE (M-PTFE)/聚全氟乙丙烯(FEP)共混物.研究PTFE和FEP的相关性能,特别是M-PTFE/FEP共混物的力学性能以及在干、湿状态下的摩擦磨损性能.结果表明：在研究的配比范围内,共混材料的拉伸强度随着M-PTFE含量的增加而增大.干摩擦条件下,M-PTFE的质量分数≤20%时,增加MPTFE含量可降低试样的摩擦系数与体积磨损率,但M-PTFE的质量分数达到30%时两个参数均会增大.湿摩擦条件下,试样的摩擦系数和体积磨损率与M-PTFE的添加量之间无规律性,但都低于干摩擦条件的值.对磨面形貌的SEM照片分析表明：在干摩擦条件下,增加M-PTFE添加量会促进转移膜的形成和完善,但湿摩擦会抑制转移膜的形成.     

掺杂Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜的摩擦磨损行为研究

采用分子沉积技术在石英和单晶硅基底上交替吸附带相反电荷的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)制备出初始聚电解质多层膜,在聚电解质多层膜上吸附Cu2 且与磺酸根键合于碱性溶液中水解,在聚电解质内原位生成Cu(OH)2纳米微粒,通过多次吸附-水解循环原位生成掺杂Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜.采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜及透射电子显微镜分析原位生成Cu(OH)2纳米微粒前后多层膜的结构与形貌,采用LKDM-2000型摩擦磨损试验机评价多层膜的摩擦磨损性能.结果表明:与初始多层膜相比,含Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜的摩擦系数有所提高,且随法向载荷的增加变化较平稳;聚电解质多层膜表现出较好的耐磨性,这是由于聚电解质多层膜内的纳米微粒提高了承载能力;薄膜的磨损机理主要为粘着磨损,由于纳米微粒的存在,可以减轻其塑性变形和粘着磨损.     

N2与CO2对合成气爆炸特性影响的实验研究

为了研究惰性气体(氮气及二氧化碳)对合成气爆炸特性的影响,利用20L球形爆炸仪器,开展不同体积分数氮气与二氧化碳作用下不同当量比合成气的爆炸实验,从爆炸峰值压力、爆炸压力到达峰值时间、爆炸指数方面分析惰性气体对合成气爆炸特性的影响。研究结果表明:惰性气体体积分数的增加会降低合成气的爆炸压力和爆炸指数,推迟爆炸压力到达峰值的时间;在相同体积分数下,CO2比N2能更有效地降低合成气的爆炸峰值压力和爆炸指数,减小爆炸反应的剧烈程度,CO2在抑制合成气爆炸方面比N2的效果明显。     

基于体积法的缺口件多轴疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo钢不同缺口半径下的多轴疲劳试验结果进行模拟计算,采用体积法进行疲劳寿命预测,并与等效应变法的预测结果进行了对比。模拟结果表明,各路径下缺口根部应力集中程度随缺口半径减小而更为明显,最大应力集中程度达3.45。等效应变法给出的疲劳寿命预测结果随着缺口半径的减小而偏于保守,保守量高达90倍。为克服等效应变法给出的偏于保守的结果,基于剪应力随距缺口根部距离的变化趋势进行有效距离的计算,采用体积法进行寿命预测,94.1%的预测结果位于2倍分散带内。     

Herschel-Bulkley模型下磁流变减振器旁路泊肃叶流动分析

制备了羰基铁粉(CIP)的质量分数为70%的硅树脂基磁流变胶。用安东帕MCR-301型流变仪对其流变特性进行了测量,并对测试结果进行了Herschel-Bulkley本构模型参数识别。最后对MRG-70在该模型下磁流变减振器旁路中的泊肃叶(Poiseuille)流动展开了分析。试验及分析结果表明,在外加磁场下,Herschel-Bulkley本构模型中非牛顿指数n1。剪切应力随半径的增大而线性增大;当τ_rτ_y形成剪切流,反之则为柱塞流动。在剪切流动区域内,流速随半径增大而非线性降低,剪切速率随半径增大而非线性增大。磁感应强度越大,柱塞流区域越大,柱塞流区域内剪切速率恒为0。体积流量随磁感应强度增强而非线性减小。在0mT～500mT之间体积流量随磁感应强度变化剧烈,进一步增加磁感应强度则变化缓慢。     

燃料物性参数对瓦斯煤尘复合爆炸的耦合作用

为研究瓦斯煤尘复合爆炸影响因素的耦合规律,对煤粉质量浓度、甲烷体积分数、煤粉粒径、煤粉种类等4种影响因素进行了多因素与单因素实验分析。通过正交实验,将各因素对爆炸的影响进行了定量分析,结果表明,4个因素对最大爆炸压力p_max的影响由强到弱依次为：甲烷体积分数、煤粉质量浓度、煤粉种类、煤粉粒径;对最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max的影响程度由强到弱依次为：甲烷体积分数、煤粉质量浓度、煤粉粒径、煤粉种类。对于体积分数为9%、11%的甲烷,复合体系的p_max随煤粉的质量增加而减小。当煤粉质量浓度增加到100、200 g/m³时,在与体积分数为6%的甲烷耦合作用下,会产生更强的“激励”作用,且煤粉浓度较大时,挥发分低的煤种最佳瓦斯浓度会降低。甲烷体积分数存在临界值,该临界值会改变挥发分因素的影响方式：低于此临界值时,高挥发分煤尘体系的(dp/dt)_max更高,(dp/dt)_max来临时间更短;高于此临界值时,低挥发分体系具有更高的爆炸强度。粒径影响挥发分的作用,粒径越大,挥发分的影响差异越明显。当甲烷体积分数为11%时,挥发分高的煤尘更容易受粒径的影响,直径小的煤尘体系,爆炸系数K_st更小;而低挥发分煤粉在甲烷体积分数接近当量时受粒径影响更明显。

     

泡沫铝-复合泡沫冲击韧度及黏弹性分析

泡沫铝-复合泡沫互穿相复合材料是一种新型的结构功能一体化材料,在机械、交通、建筑等领域具有重要的应用前景。本文制备了纯泡沫铝及空心玻璃微珠四种体积分数的泡沫铝-复合泡沫试件,通过摆锤冲击实验研究了其冲击韧度,讨论了其断口形貌与结构性能的关系,通过单轴压缩的应力松弛实验研究其黏弹性性能。研究表明：空心玻璃微珠体积分数为10%的泡沫铝-复合泡沫试件的冲击韧度最大,随后其冲击韧度随空心玻璃微珠体积分数的增加而减小;当空心玻璃微珠体积分数较小时,泡沫铝的结构形貌决定了冲击断口的形貌,但当其体积分数达到30%时,空心玻璃微珠的破坏是形成断口形貌的主要原因;复合材料的黏弹性性能随着玻璃微珠体积分数的增加而增大。     

褶皱幅度对仿生翼型滑翔气动特性的影响

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌．研究者们致力于利用仿生学原理,设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型．本文采用计算流体力学方法,求解二维不可压Navier-Stokes方程组,探讨了四种翼型（平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和大幅度褶皱翼型）的气动表现．在低雷诺数条件下得到以下结果：(1) 较小幅度的褶皱结构有利于增加升力和减小阻力．(2) 雷诺数变化时褶皱翼型的升力系数呈非线性变化;在特定雷诺数区间,幅度相近的褶皱翼型会发生相对气动优势的转变．(3) 褶皱结构内的回流区通过减小粘性阻力,使得翼型总阻力下降．(4) 翼型前缘的极小区域会产生脉冲高升力,对升力表现产生较大影响．这些结果表明,调整褶皱幅度是实现褶皱翼型气动优化的有效方案．     

障碍物对甲烷/氢气爆炸特性的影响

通过自主搭建的小尺寸实验平台,研究管道内障碍物阻塞率及形状对当量比为1时甲烷/氢气爆炸特性的影响。研究结果表明:相同工况下火焰传播结构基本相似,预混火焰传播路径随障碍物阻塞率增大而变窄;预混火焰传播速度随着障碍物阻塞率与氢气体积分数的增大而上升,也随着障碍物形状的改变而产生变化;最大爆炸超压随着障碍物阻塞率和氢气体积分数的增大而增大,达到最大爆炸超压的时间随着阻塞率的增大而缩短;混合气体在管道内爆炸特性受障碍物与混合气体中氢气体积分数共同影响,氢气体积分数小于50%时,受障碍物与混合气体共同影响,氢气体积分数大于50%时,主要受混合气体燃烧特性影响。此研究能够为甲烷/氢气的安全利用提供理论基础。     

基底纹理对镍/铜纳米双层膜刮擦行为影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下的镍/铜双层膜的表面刮擦响应. 考虑基底铜膜材料的不同表面纹理,建立分子动力学模拟模型,分析了纳米双层膜不同基底纹理下的刮擦响应,并且对比了两种典型基底纹理下不同刮头半径、不同刮擦深度对纳米双层膜刮擦响应的影响. 研究结果发现:不同的基底纹理下,位错缺陷程度的不同会导致刮头前方的切屑体积不同,存在切屑体积最大的基底纹理;针对两种典型基底纹理,在刮擦深度或刮头半径一定时,刮擦力随刮头半径或刮擦深度的增加而增大;当刮擦深度或刮头半径超过临界值时,表面具有特定齿槽纹理的基底具有一定的减摩作用.      

碳纳米管增强Nb-Si基复合材料界面应力传递的研究

基于均匀化理论,建立了碳纳米管增强Nb-Si基复合材料的代表体积元模型,并采用剪切滞后模型对碳纳米管增强Nb-Si基复合材料界面上的应力分布和传递机制进行了研究,探讨了分子间作用力、杨氏模量比β、长径比α、体积分数?等对其应力分布和传递机制的影响。结果表明,复合材料界面应力分布的变化主要集中在碳纳米管的两端,最大的应力都是分布在加载端或拔出端,然后向另一端传递;分子间作用力、杨氏模量比、长径比、体积分数等参数对界面应力的传递均有一定的影响,其中长径比和体积分数的影响最明显,体积分数为0.02时拔出端的界面剪切应力值相对于体积分数为0.0025时增大幅度达到近7倍,而长径比从200减小到50时,其应力传递距离增大了近8倍。