台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理

利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理。以甘油水为分散相、含3% Span 85的环己烷为连续相,观测到了滴状-滴状流、过渡-滴状流、喷射-过渡流和喷射-喷射流4种流型;以两相流量为坐标轴绘制了流型图,并获得了流型转变线;分析了流型的转变机理。考察了分散相黏度对流型及其转变的影响机制。随着分散相黏度的增大,流型转变线整体向下移动,滴状-滴状流区域变小,喷射-喷射流区域变大。最后,运用介尺度概念分析了并行微通道内液液两相流非均匀结构的动态效应。     

大深宽比双T形微通道内液-液两相流可视化研究

通过高速摄像对水力直径0.176mm、深宽比2.4的双T形矩形微通道内的液-液两相流动进行了可视化实验研究。改变连续相（硅油）和分散相（水）的流量比,记录分析了微通道不同部位油-水两相流的流型和流型发展演化情况。实验结果表明,在微通道上游T形部位的油-水两相流型主要包括滴状流、弹状流、波平行流和平行流;在微通道的中间部位,绘制了基于水和硅油量纲为1韦伯数的流型图,并将其与相关文献进行了比较。同时,发现微通道内液塞及液滴的长度（量纲为1）与油/水流量比之间存在线性关系,液塞/液滴速度比两相混合物表观速度大,建立了能够准确描述液塞/液滴运动速度的实验拟合公式。最后,研究了液滴在微通道下游T形部位的行为,观察到断裂和不断裂两种模式并进行了分析,给出了划分断裂与否的流型图。     

微通道内液-液两相流研究进展

从流型、传质和应用3个方面,介绍了近年来微通道内液-液两相流的研究进展。液-液两相流型研究内容主要有两部分,即流型的观察、流型谱图的绘制以及考察多种因素对流型的影响,但是具有普适性的流型谱图和流型转变线仍未提出。液-液两相传质研究方法包括实验研究和数值模拟两种,主要研究在液滴流、弹状流和平行流3种稳定流型下的传质过程;且相对于定性研究,定量的传质研究较少。对于微通道内液-液两相流应用研究,主要体现在萃取、材料合成、生物结晶等方面。此外,对今后微通道内液-液两相的流型、传质和应用研究进行了展望,指出需从实验与模拟计算相结合以及拓展微通道内液-液两相流的应用研究两个方面进行深入研究,推进其工业化进程。     

微通道内气液(液液)二相流的实验研究进展

综述了微通道内气液(液液)二相流的流型特征.微通道内气液二相流常见的流型为泡状流、弹状流、环状流和翻腾流;液液二相流常见的流型为液滴流、塞状流、平行流及环状流.分析了不同操作条件对气液(液液)二相流行为的影响.介绍了微通道内气液(液液)二相流流型判别谱图,对常用的弹状流、液滴流和塞状流进行了重点介绍.指出了微通道内气液...     

螺旋管内油-水液液两相流流型

在两种不同放置位置螺旋管内进行了油 -水液液两相流流型的实验研究 ,定义了各种不同流动条件下油-水两相流的流型 ,给出了螺旋管内液液两相流的流型图 .进而讨论了各流型之间转变的机理 ,并考察了螺旋管结构尺寸及放置方式对油水两相流流型及相转变特性的影响 .     

梯形微通道内乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验

利用高速摄像系统对梯形硅基微通道进行乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验。梯形微通道结构为梯形,水力学直径165.87 mm,通道长度50 mm。实验中混合蒸气乙醇质量分数范围为2%～60%。实验发现入口蒸气乙醇浓度对通道内流型有重要影响。沿着冷凝方向,发现环状流、环状条纹流、翻滚流、喷射流/喷射滴状流及气泡流。不同蒸气入口乙醇质量分数有不同的流型分布,低乙醇浓度的蒸气冷凝环状条纹流及喷射流区域出现伪滴状凝结形式,高乙醇浓度的蒸气冷凝出现翻滚流流型。实验以蒸气质量通量及蒸气干度为坐标对不同入口浓度蒸气冷凝建立了两相流型图,并对喷射流发生干度建立了流型转变预测式。     

微通道液-液两相流动特性实验研究

利用高速摄像机与Canny算法,以硅油为离散相,含0. 5%SDS的蒸馏水为连续相,研究了凹穴型微通道内液-液两相流动特性。结果表明,直通道内观察弹状流、过渡流、滴状流3种流型。随着毛细数的增大,液滴形成机理由挤压机制向剪切机制转变,液滴速度逐渐增大,液滴长度逐渐减小。随着连续相流量的增加,液滴形成时间逐渐减小,且挤压机制生成液滴的时间大于剪切机制。凹穴结构减弱了壁面对液滴的限制,液滴速度降低,T型交汇处压差降低,相同工况下的液滴尺寸大于对冲T型微通道的液滴尺寸。     

正弦型微通道内液-液两相流型及流动特性实验研究

采用实验的方法对不混溶的液液两相流体在不同入口结构下的正弦微通道(直通道正弦、波峰正弦和波中正弦)内液滴的流动特性进行了分析。硅油作为离散相,含有0.5% SDS的蒸馏水作为连续相,观测到弹状流、滴状流和射状流。分析了两相流动参数及不同的微通道入口结构对流型和液滴长度的影响。流型受微通道入口结构影响较大,波峰正弦微通道能够生成最大范围的稳定的流型。液滴长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大,随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低。微通道入口结构对液滴长度有影响,直通道的正弦微通道内液滴长度最短,更有利于液滴的形成。三种通道生成的液滴中,最大的液滴尺寸是最小的液滴尺寸的1.15~1.39倍,但正弦流动段对液滴速度几乎没有影响。     

双T型微通道气液液三相流型分布数值研究

近年来微尺度气液液三相流因其独特的流动传递特性,成为各领域的研究热点。气液液三相流动流体成分多,自由度较高,这也使得流型和分散尺寸的调控成为研究的基础和难点。为了研究双T型微通道内气液液三相体系特征流型的分布情况,对不同流速及通道入口尺寸条件下的三相流动进行了数值模拟,采用流体体积函数(VOF)模型,以辛烷为连续相,水和空气为分散相。首先考察了在辛烷入口尺寸为0.1 mm,单相流速调控下的流型演变,得到了以JG+JO为横坐标,JW为纵坐标的三相流型分布图。结果表明,当辛烷入口尺寸缩小到0.05mm时,复乳型液滴被"含有气泡的液液平行流"替代;三相交替流型特征明显,两级通道后的气泡、液柱尺寸分布也呈一定规律发展。     

双T型微通道内气液液三相分散规律

研究了双T型微通道内气液液三相微分散过程,获得了水包油包气复乳型三相流和含有气泡的液液平行流两种主要流型,探讨了流体的进料顺序、三相表观流速和微通道内受限空间对于三相流型的影响,建立了流型分布图表。制备了平均体积在22～54 nl的单分散微气泡和平均体积在60～81 nl的油包气复合分散流体,根据气相在Rayleigh-Plateau效应下的破碎机制建立了基于气液相比的分散尺寸数学模型。     

Gas-liquid-liquid extraction in a novel rotating microchannel extractor

In this work, a novel rotating microchannel extractor (RME) is designed and further used for the extraction of chromium (III) from water. Unexpectedly, the micro-extraction had the same effect as carrying out 2.9-stage cross-flow extractions. Various factors, including the gas intake methods, gas intake quantity (Q_g), distance between inner rotor and outer wall (D), rotational inner rotor speed (R) and volumetric flow rate (Q_a, Q_o), were selected to investigate their effect on the extraction efficiency (η) thoroughly. The relation map of η with Wea and We_o-g for RME provides a comprehension for the gas-liquid-liquid extraction process in this RME system.     

Gas-liquid-liquid extraction in a novel rotating microchannel extractor

In this work, a novel rotating microchannel extractor (RME) is designed and further used for the extraction of chromium (III) from water. Unexpectedly, the micro-extraction had the same effect as carrying out 2.9-stage cross-flow extractions. Various factors, including the gas intake methods, gas intake quantity (Q_g), distance between inner rotor and outer wall (D), rotational inner rotor speed (R) and volumetric flow rate (Q_a, Q_o), were selected to investigate their effect on the extraction efficiency (η) thoroughly. The relation map of η with We_a and We_o−g for RME provides a comprehension for the gas–liquid–liquid extraction process in this RME system.     

微通道中钒的液-液流型和萃取传质动力学研究

采用伯胺N1923萃取剂在微通道中研究V(V)的液-液流型和萃取传质动力学,以15vol% N1923作为连续相、钒氧酸根水溶液作为分散相,研究不同流速下两不混溶相的流型变化规律及两相停留时间和微通道管径作为流速的函数对传质的影响。随两相流速增大,段塞流长度和比界面面积基本不变,且两相流体由Raydrop微通道流入外接毛细管微通道时由于微通道的扩张会改变两相流动方式,使同一实验条件下在微通道中同时出现多种流型,与此同时两相流速和总体积传质系数(kLa)呈正相关,表明流型在本研究体系中对传质的影响可忽略。在相同管径通道内,停留时间与总体积传质系数呈负相关,表明在两相接触通道入口处发生了显著传质。在相同的两相混合速度和相比下,254 μm的管径传质效果是750 μm的9倍,表明小管径内传质效果更加,循环强度更大。最后将实验总体积传质系数结果与总体积传质系数的经验式进行了关联,有望为实现将微通道放大的绿色冶金技术提供理论基础。     

Liquid–liquid two-phase mass transfer characteristics in a rotating helical microchannel

In this work, the mass transfer characteristics of two immiscible fluids were investigated in a rotating helical microchannel with hydraulic diameter of 932 μm. Aqueous phosphoric acid solution and 80% tri-n-butyl phosphate (TBP) in kerosene were selected for the investigation of mass transfer performance in quartz glass/high density polyethylene (HDPE) microchannel. High dispersion between the two immiscible fluids can be obtained in the microchannel due to the intensifying action of centrifugal force, and the majority of the droplets with average diameter of 20–100 μm were produced in the microchannel. The flow rate and rotation speed were found to have great effects on the extraction efficiency and average residence time. The empirical correlation of average residence time based on experimental data was developed by theoretical analysis and data fitting method, and a mathematical model of the mass transfer coefficient in dispersed phase was proposed.     

新型径向叶片式旋转床压降分析及气相流场模拟

针对折流式旋转床压降高、能耗大的问题,提出了一种新型超重力旋转床设备--径向叶片式旋转床。首先,对该旋转床的压降进行了理论分析和建模,并利用水-空气体系进行了实验研究。通过改变气量、转速和液量探究了新型径向叶片式旋转床压降的变化规律,结果表明压降随气量、转速和液量的增加而增加,且随着气量和转速的增加,液量对压降的贡献逐渐减小。压降模型的预测值与实验数据的相对偏差基本在10%以内,表明模型可以较好地预测新型径向叶片式旋转床的压降。另外,通过计算流体力学（CFD）软件的模拟获得了旋转床内气相流场和压力分布的结果,发现转子内压降是总压降的主要部分;气体进入转子后会因叶片作用使得周向速度变大,并在转子外缘处达到最大值;气体的进口流速将会影响旋转床内的气相分布。利用实验数据对CFD模拟结果进行了验证,两者的相对偏差在10%左右。     

小曲率蛇形微通道弯头处弹状流流动及传质特性的数值研究

采用CLSVOF（coupled level set and volume of fluid）方法,以空气和水为工作流体对小曲率矩形截面蛇形微通道内气液两相流动进行模拟研究。验证模型的合理性后,研究了曲率对弯通道内压降的影响,曲率及气相速度对弹状流气泡及液塞长度的综合影响;同时深入分析了弯管内气液两相流动的传质特性,包括不同曲率下气泡长度的变化,弯管内液侧体积传质系数与液膜体积传质系数的比较,曲率及气相速度对液相体积传质系数的影响。同时,对比了回转弯道与直微通道传质系数的差异,发现弯微通道可以强化传质。     

微通道中气-液-液三相流流型及传质研究

使用双T型微通道,以体积分数为30%的磷酸三丁酯（TBP）的环己烷溶液-乙酸水溶液为萃取体系,研究了不同油水两相流量比及油水两相总流量条件下,气相的引入及气相流量分率α对流型及传质的影响,并获得总体积传质系数k_La与油水两相流量比q、气相雷诺数Re_g、液相平均雷诺数Re_M的关系式。研究结果表明,第1个T型接口处气相的引入所带来的气相剪切作用能促进第2个T型接口处分散相液滴的形成,可使液-液并行流转化为气-液-液三相弹状流;同时,由于气-液-液弹状流具有较高的相接触面积及内循环作用,传质系数k_La得到显著提高。     

周期性扩缩微通道内气液两相流型及其演变特性

以空气和水为实验工质,利用IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜组成的可视化系统对水平放置的PDMS周期性扩缩微通道内的气液两相流型及其演变特性进行实验研究。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流,气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中,而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流,气体主要沿气体进口壁侧流动,液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面,沿流动方向界面产生波动。通过改变气液两相表观流速,得到气液两相流型分布,进而提出间歇流与分离流流型转换的准则关系式。结果表明,同一液相表观流速下,三角凹穴型微通道间歇流向分离流转变所需的气相表观流速略小于扇形凹穴微通道。