基于亚甲基蓝溶液浓度变化的单通道与平行通道流速测量技术研究

【编辑推荐】本研究针对燃料电池等工业场景中分支通道系统的流速测量难题，提出了一种非侵入式层流流速测量技术。通过向预充去离子水的方形截面通道注入亚甲基蓝溶液，结合机器视觉分析浓度变化，实现了单通道及多构型平行通道（含变流路数与入口分布长度）的流速场精准测量。实验与仿真结果高度吻合，揭示了流路数增加和分布长度缩短会导致流动不均，为高温燃料电池气体流场相似性分析提供了新方法。

　　

在微流体通道到工业管道系统中，流体流速的精准测量一直是工程领域的核心挑战。尤其对于燃料电池这类电化学装置，其性能高度依赖反应气体在流道内的均匀分布——不均匀的流动会导致活性区域反应效率下降、压降增大，进而缩短电池寿命。传统粒子图像测速技术(PIV)虽能有效测量流速，但依赖昂贵的高速相机和激光设备，且无法适用于不透明平行通道的复杂场景。针对这一技术瓶颈，来自韩国能源技术评价研究院(KETEP)资助团队的研究人员开发了一种创新解决方案：利用亚甲基蓝溶液与去离子水的浓度梯度变化，通过机器视觉实现非侵入式流速测量，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究团队采用三大关键技术：1）构建方形截面丙烯酸通道模型（9 mm²
截面积，100 mm长度），通过15G注射针头注入1.0 wt%亚甲基蓝溶液；2）采用图像差分法处理视频帧，基于像素位移与时间差计算流速；3）通过COMSOL Multiphysics软件进行计算流体力学(CFD)仿真验证。实验设计涵盖单通道验证、三流路平行通道变流量测试，以及多流路数（3/5/7）与分布长度（20/35 mm）组合对比。

【Experimental setup】
通过亚甲基蓝溶液在去离子水中的扩散过程捕捉流动前沿，建立像素位移-时间数学模型。单通道实验验证显示测量误差<5%，证实方法可靠性。

【Methodology of velocity profile calculation】
开发基于RGB色彩空间分析的算法，将图像灰度值与浓度变化关联。在3流路平行通道中，测得中心流路速度比两侧高15%，与CFD模拟的涡流分布特征一致。

【Results and discussion】
当流路数从3增至7时，流量分配不均度从8%升至22%；分布长度缩短至20mm时，入口区出现明显回流。这些发现为燃料电池流场设计提供了量化依据。

【Summary and perspectives】
该技术成功实现了层流条件下0.5-5 cm/s流速范围的精准测量，未来可通过流体相似性原理拓展至高温燃料电池气体流场分析。

这项研究的突破性在于：首次将色彩浓度变化与机器视觉结合应用于复杂通道流速测量，相比PIV技术降低成本90%以上。特别值得注意的是，团队发现平行通道的流路数量与分布长度存在非线性耦合效应——当流路数超过5时，必须保证分布长度≥35mm才能维持流动均匀性（压降波动<10%），这一结论为燃料电池堆栈设计提供了直接工程指导。此外，该方法通过液体模型模拟气体流场的创新思路，为高温SOFC等不透明系统的流动优化开辟了新途径。