【摘要】：氫能在石油、化工及冶金等工業領域應用廣泛，被譽為未來世界能源架構的核心。水電解制氫工藝簡單、環境污染較小、產物純度較高，廣泛應用于可再生能源儲能技術中。研究表明，施加磁場能夠有效管理電極表面的氣相產物，降低電極表面氣泡效應引起的額外能耗。但目前關于磁場對電極表面氣泡生長及脫離過程的影響機制尚不明晰，磁場作用下氣泡界面的動態演化規律尚待探索。為深入研究電解過程中電流密度和磁場強度對電極表面氣泡生長及脫離過程的影響規律。

本文分別設計了水平和垂直微電極兩套水電解制氫實驗系統，借助高速攝像對不同電解條件下微電極表面單個氣泡的演化過程進行可視化拍攝，結合圖像后處理Open CV-Python程序對單個氣泡特征參數進行提取和分析，重點對不同電解條件下氣泡生長直徑、生長時間、接觸直徑、脫離直徑、接觸點位置及工作電極電勢等參數的變化規律進行探索。在實驗研究基礎上，采用VOF多相流數值模擬方法對垂直磁場作用下水平微電極表面單個氣泡的動態生長行為進行研究，主要研究內容及結論如下:

(1)通過對氣泡實時直徑的準確測量，描述了垂直磁場作用下水平和垂直微電極表面單個氣泡的動態演化特性。兩種微電極表面氣泡直徑隨生長時間的變化速率均近似滿足D(t)=βt~13規律，與相關文獻結論一致。單個氣泡生長速率均由微電極表面電流密度決定，氣泡生長速率隨電流密度的增大而增大，外加磁場對氣泡生長速率的影響較小。

(2)依靠圖像后處理程序和統計學方法對氣泡脫離過程進行了精準判斷，分析了磁場強度對水平和垂直微電極表面氣泡脫離特性的影響規律。對于水平微電極而言，低電流密度下外加磁場能夠有效促進氣泡脫離過程；高電流密度下弱磁場將抑制氣泡脫離行為，強磁場將促進氣泡脫離行為。對于垂直微電極而言，低電流密度下磁場對氣泡脫離行為影響很小，少數磁場條件會抑制氣泡脫離過程；高電流密度下磁場明顯促進氣泡脫離行為，但不同具體電流密度的磁場影響效果不同。

(3)依靠角點檢測算法捕獲和分析了氣泡接觸點及接觸直徑的動態演變規律。水平微電極表面氣泡左、右接觸點關于電極中心近似對稱，氣泡能在較短時間內完全覆蓋電極表面。垂直微電極表面氣泡更趨向于覆蓋電極上表面，氣泡周圍電極面積呈現明顯的非對稱分布，氣泡下接觸點存在明顯的大小氣泡聚并過程。

(4)工作電極電勢周期性變化，與電極表面的氣泡周期性生長及脫離過程密切關聯。增大電流密度，工作電極電勢絕對值顯著上升。外加磁場能夠顯著改變工作電極表面電勢的變化范圍，實際影響效果與具體電流密度密切相關。

(5)借助VOF界面捕捉方法，結合氣泡接觸直徑預測模型，模擬水平微電極表面單個氣泡生長過程。模擬與實驗獲得的單個氣泡生長直徑變化曲線結果吻合較好。較高的氫氣組分過飽和濃度分布集中在氣泡足部和電極接觸的楔形區域內，氣泡足部區域內的氣液傳質速率較大。受水平微電極的電流畸變影響，氣泡足部區域電解液的電流密度和洛倫茨力均較大，且隨著氣泡尺寸的增大而逐漸增大。在氣泡生長周期內，氣泡周圍的旋轉微觀磁對流呈現先增強、后減弱的變化規律。