质子交换膜燃料电池(PEMFC)是极具前景的能量转换装置,PEMFC具有能量转换效率高、清洁无污染等特点。水管理问题是影响PEMFC工作性能和可靠性的关键因素之一。作为液态水最终排出的场所,有必要对液态水在流道内的传输过程及其与壁面的作用机理展开详细的研究。本文主要研究对象是PEMFC流道内的气液两相流动问题,利用数值模拟方法,对流道内液态水的生长、积聚、传输、撞壁等过程展开研究。在静态润湿模型(SCA)的基础上,对流道内液滴撞击壁面的作用机理进行分析,研究液滴在不同工况下的运动模式;基于液滴撞壁结果,对液态水在GDL表面生长,脱离和撞击流道壁面的过程展开模拟分析,研究高速出水模式下,流道内产生的流态和液态水去除模式;引入动态润湿模型,并对不同润湿模型的适用范围进行讨论。本文主要的研究内容有:1.流道内小尺度液滴与壁面撞击后运动机理的研究。液滴垂直撞击壁面时,研究撞击速度、液滴大小、壁面接触角和工作温度等参数对液滴与壁面作用过程的影响,分析液滴铺展、回缩、飞溅、反弹等运动状态形成的原因,以丰富流道内液态水撞壁去除的机理。液滴以倾斜角度撞击壁面时,研究撞击角度,撞击速度与壁面接触角对液滴撞壁后的运动模式的影响,分析其铺展和滑动过程。液滴垂直撞击液膜时,研究撞击速度与液膜厚度后产生射流和飞溅的条件。研究表明,较大的撞击速度和壁面接触角,较小的撞击角度和液膜厚度,有利于液态水从壁面的去除。2.引入GDL高速出水速度条件,对液滴在GDL表面生长、脱离过程,及其在流道内的传输和与U型流道壁面作用过程进行研究,对不同工况下流道内液态水流态进行划分。计算结果表明,较大的气流速度、较大的GDL出水速度有利于液态水从GDL表面的去除,接触角为50°的流道有利于液态水从GDL表面去除,接触角为140°的流道有利于液态水从流道内去除。3.在静态润湿模型的基础上,引入霍夫曼动态润湿模型(H-DCA)和椭圆接触线动态润湿模型(E-DCA),对模型适用的不同条件进行讨论,并对液态水沿流道方向的传播过程进行进一步分析。研究表明,在液相速度较大的情况下,壁面无滑移边界条件带来较大的壁面剪切力,引入滑动角边界条件能有效消除过大的壁面剪切力的影响。