交叉导流式微型混沌混合器

针对微尺度混合的特点,提出了一种以玻璃湿法刻蚀加工技术为基础,基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器.微通道内,周期排列的导流块在轴向的压力梯度作用下产生了横向的速度分量,可以诱发混沌对流,同时实现微通道内流体的快速混合.运用流场可视化实验和计算流体动力学（CFD）方法研究了微混合器的混沌混合行为.混合试验表明,SOR微混合器在低Reynolds数和高Reynolds数条件下都可以获得好的混合效果.     

带扩张-收缩型通道的脉动式微混合器的研究

微混合器作为微流控系统中的重要元件,在生物医学、化学分析等领域具有非常多的应用。在分析提高微混合器混合效果途径的基础上,设计了一种带扩张-收缩型通道的脉动式微混合器,通过Fluent-UDF二次开发程序对混合机理及影响混合效果的各种参数进行数值模拟分析,得出在相位差为180°、速度比为2、St数在0.2—0.4时混合效果最好。另外,对其实物模型进行了微混合实验研究,将实验结果与数值模拟结果定性地对比分析,结果吻合较好。     

可调式静态混合器的开发试验研究

基于传统管道静态混合器在实际运行流量低于设计流量时,混合效果变差,开发了可调式管道静态混合器.通过与传统静态混合器的对比试验表明,这种可调式静态混合器实现简单,但却能很好的解决在低水量运行时传统静态混合器出现的问题.当流量百分比为30%～40%时,混合均匀度大于90%;流量百分比为45%～70%时,能达到理想的混合效果.相比于传统混合器,这2个流量阶段的混合效果显著提高;当流量百分比在80%以上时,2种混合器的混合效果相当.     

错位碰撞型微混合器混合性能的模拟分析与优化设计

微混合器作为微流控设备的重要组成部分,广泛应用于生化领域,由于在微通道下流体流动为层流,混合较差,对于快速反应,混合是影响效率的主要因素。本文对影响混合效率的3种微混合器结构进行了数值模拟,通过变化微混合器的通道宽高比、发散处最大宽度、碰撞处错位高度3个结构参数,模拟研究其在层流下的混合性能。结果表明,流体碰撞处错位高度对混合性能影响最明显。对模拟结果最佳的微混合器（MST）进一步优化其结构得到新的微混合器（MTT）,将MTT与MST及普通T型微混合器（MT）进行比较。MTT微混合器出口处的混合指数达到81%,而普通T型微混合器在相同的条件下只有5.3%。通过模拟分析混合过程,有效改善了错位碰撞型微混合器的结构,有利于提高流体混合效率,提高反应速度。     

非对称分离重组扇形空腔微混合器的混合特性

基于平面内非对称分离重组微混合原理设计了一种新型的被动式微混合器,并对该结构微混合器的混合特性进行了三维数值模拟。模型使用有限体积法离散、SIMPLE算法进行层流计算,采用混合强度值作为衡量指标,分析了Reynolds数在1～80范围间的混合强度值变化。分析结果显示,在次通道上布置扇形空腔对非对称式微混合器的混合强度值有明显提高,同时扇形空腔的几何结构参数值对该微混合器的混合效果也有一定影响。本文模拟结果在综合考虑混合强度与泵功消耗等条件下,当主次通道宽度与扇形空腔结构宽度比为(w₃/w₁)=1/3时非对称分离重组扇形空腔微混合器的混合强度值可达到78%左右。     

Kenics型静态混合器的结构优化与数值模拟

基于三维有限元数值模拟方法,对应用于高黏聚酯熔体直纺工业丝过程中熔体管道输送的Kenics型静态混合器进行结构优化;对静态混合器内示踪粒子的流动轨迹进行统计学处理,通过停留时间分布、分离尺度、面积伸展率以及时间平均效率表征流动特性与混合性能。结果表明:相比传统静态混合器,当静态混合器的元件旋转角度为120°时,静态混合器的分离尺度降低,分散混合能力增强,拉伸作用增强,混合特性提高;相同管径下元件长径比为0.75时,静态混合器的混合能力较长径比为1.00或1.25时都有明显的提高;随元件长径比增加,混合效果逐渐变差,流动方式趋近于理想平推流动。     

弯曲微通道中液滴内混合过程的数值模拟研究

微混合器内采用多相流操作条件使混合在液滴中进行,能有效提高微混合器的混合效率以及消除单相流操作条件下所存在的分散效应。在流体体积函数法(VOF)的计算流体力学基础上,分别采用欧拉-示踪剂法以及拉格朗日-示踪粒子法对弯曲微通道中液滴内部的混合状态演变过程进行模拟研究,得到了液滴经过通道不同位置其内部的混合快照图并计算了其混合程度的变化。两种方法都显示在液滴通过蛇形弯曲微混合器时,液滴内部产生了混沌流。正是由于混沌混合现象的存在,使得液滴内混合组分能够达到快速有效地混合,混合效率较高。对两种不同模拟方法及实验结果的比较发现,欧拉-示踪剂法能够更好地模拟实际的混合效果,而拉格朗日-示踪粒子法能够更清晰地模拟混合组分界面的变化情况,适用于研究液滴内混沌混合现象。     

微通道混合器的研制及在微乳液制备中的应用

微通道混合技术具备混合均匀可控制、传质传热效率高等特点。采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,通过建立微通道简化模型,设置理想化参数模拟微通道传质特点,根据理论分析与模拟结果进行了微通道混合器设计和加工。实验选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基本材质,设计、加工了三维立体结构的切割重组型号的微通道混合器,并用于微乳液复配实验。微乳液复配实验结果显示微通道加工工艺可行,可用于油相水相的混合。     

微通道中液滴内部混合过程的μ-LIF可视化和LBM模拟

采用μ-LIF技术可视化研究了微通道中液滴内部的组分混合行为,建立了描述多相多组分体系的格子波尔兹曼方法（LBM）,通过μ-LIF实验确定了LBM模型关键参数,成功模拟了微通道中液滴内部的混合行为。研究表明,液滴在运动中发生形变可以有效缩短传质距离,实现强化混合的目的。同时,分散相对壁面的润湿性质对复杂结构微通道中液滴流动起着重要作用。本文为微尺度复杂流动行为的研究提供了理论基础,并为微通道的结构设计与优化提供了可靠的方法论。     

μ-LIF Visualization and LBM Simulation of Mixing Behaviors inside Droplets in Microchannels

采用μ-LIF技术可视化研究了微通道中液滴内部的组分混合行为,建立了描述多相多组分体系的格子波尔兹曼方法（LBM）,通过μ-LIF实验确定了LBM模型关键参数,成功模拟了微通道中液滴内部的混合行为。研究表明,液滴在运动中发生形变可以有效缩短传质距离,实现强化混合的目的。同时,分散相对壁面的润湿性质对复杂结构微通道中液滴流动起着重要作用。本文为微尺度复杂流动行为的研究提供了理论基础,并为微通道的结构设计与优化提供了可靠的方法论。     

Effect of micro-mixing on the yield of intermediates in triplet consecutive/competitive reactions

Micro-mixing calculations based upon a simplified non-deforming one-dimensional diffusion-reaction formulation are presented for the sequence of three reactions denoted by A + B → R + B → S + B → T. This triplet reaction under micro-mixing is posed as five simultaneous parabolic partial differential equations which have been solved using a general purpose NAG library algorithm. The primary product R has an improved yield under perfect mixing conditions. The ultimate product T is shown to be always favoured by the perfect segregation of micro-mixing. By contrast, the central intermediate S gives high yields under micro-mixing at low conversions, but perfect mixing is preferable at higher conversions. In addition, predictions show that yield improvements for S might be possible by an engineered stretching of fluid lamellae and by the combination of micro-mixing followed by perfect mixing, especially at intermediate levels of conversion. The calculations are relevant to multi-step halogenations and they help to explain how the anomolous appearance of a tri-halogenated species ahead of mono- and di-halogenated ones in a stirred vessel can be attributed to micro-mixing.     

超声波微混合反应器混合性能的研究

介绍了超声波微混合反应器的原理,利用Dushman反应与硼酸盐的酸碱中和反应对反应器的混合效果进行表征。研究了进料流速、进料管径、超声波脉冲频率对溶液混合效果的影响。实验结果表明,超声波微混合反应器的微观混合性优于传统的双进料搅拌反应器。     

喷射器内湍流混合的多尺度模拟

利用宏观混合分数方差和微观混合分数方差定量表征宏观混合和微观混合状态,对喷射器内的湍流混合进行了多尺度模拟和研究,并计算出了达到完全混合所需要的特征混合时间。对不同操作条件下的多尺度混合情况进行了模拟计算和分析。结果表明：在引射流速度不变的情况下,增加喷嘴速度,可以降低达到完全混合所需要的时间;在喷嘴速度不变的情况下,增加引射流速度,可以增加达到完全混合所需要的时间;在喷嘴和引射流速度比不变的情况下,增加两者绝对速度,可以降低达到完全混合所需要的时间;在本文所研究的情况下,喷射反应器内湍流混合过程由微观混合控制。     

喷射器湍流微观混合性能的计算流体力学模拟

建立了喷射器湍流混合模型,利用商用流体力学软件Fluent6对不同结构的喷射器进行了模拟研究,从微观尺度考察喷射器的混合特性,得到了不同条件下喷射器完成湍流微观混合所需要的距离,并利用3个自定义的量纲为1数与雷诺数结合来描述喷射器的微观混合性能。结果显示,利用这些参数可以较好地表示喷射器的微观混合,并利用模拟结果回归了各准数之间的函数关系。     

Characterization of micro-mixing in a novel impinging streams reactor

This paper presents an experimental investigation of a novel impinging stream reactor (ISR) with the aim of high mixing intensity. The integral mixing quality in the reactor was measured with the iodide-iodate reaction and showed excellent mixing performance. The impact of the operating parameters, such as fluxes, circulation and internozzle distances, was investigated in terms of segregation index. The results showed that the increase of flux, the decrease of inter-nozzle distance and a suitable circulation can improve the micro-mixing efficiency. Based on turbulence theory, it was estimated that the characteristic micro-mixing time was 0.002–0.02 s, which was much shorter than that in the stirred tank reactor. The micro-mixing time was related to the segregation index, which was in good agreement with those in the literature.     

液-液喷射混合装置微观混合特性的研究进展

液-液喷射混合装置具有优异的微观混合特性,特别适用于液-液快反应体系。在研究不同液-液喷射混合装置的微观混合特性时,选取合适的研究方法和定量指标非常关键。本文对比分析了液-液喷射混合装置中常用的微观混合特性研究方法（化学探针法、激光诱导荧光技术和计算流体力学方法）,包括其优缺点、适用范围、选用原则和应用要点,并总结了表征微观混合特性的定量指标。其次,对液-液喷射混合装置进行了系统性的分类,分别介绍了不同液-液喷射混合装置中微观混合特性的影响因素和研究进展,后者主要包括3种研究方法在研究微观混合机理、微观混合特性时间、微观混合过程强化和装置结构优化等方面的进展。最后总结了罐中喷射混合装置和管状喷射混合装置微观混合特性研究存在的不足和后续研究方向。     

T形微通道结构中的流体混合规律

对单级和双级T形微通道结构中流体的混合规律进行了实验和模拟研究。研究发现,随着流动Reynolds数的增加,微通道内依次出现层流、涡流、卷流3种不同流动状态;在单级T形微通道中,只有当流动处于卷流状态时,混合才得以强化;而对于双级T形微通道结构,流体接触面积增大,流向转变使得当最大尺度的混合通道中出现涡流时,混合即增强。在相同停留时间条件下,双级T形微通道结构中流体混合效率明显高于单级。研究结果充分说明,含有多级T形结构的树状分形仿生网络结构能够极大地强化流体混合,多级T形网络结构是一种高效的微观混合构型。     

CFD simulation of mixing and reaction: the relevance of the micro-mixing model

The aim of this work is to understand the role of the micro-mixing model in computational fluid dynamics (CFD) simulations of fast reactions. Using CFD, in fact, the reactor is modelled through a computational grid and the governing equations are discretised using numerical methods. However, the mixing phenomena that occur at scales that are smaller than the grid size remain unresolved. This means that the probability density function (PDF) of all scalars is assumed to be a delta function centred at the mean value. In order to take into account micro-mixing effects a model must be added. In this work the finite-mode PDF approach is used to predict the selectivity of a parallel reaction in a Taylor-Couette reactor working in semi-batch conditions. Experimental data are compared with model predictions in order to investigate the relevance of the micro-mixing model. The case of precipitation is also discussed.     

化学反应器中微观混合模型研究进展

详细介绍了微观混合模型的发展历程,指出经验模型的缺陷和机理模型的合理性,并就目前这些模型的实际应用进行了总结,提出了关于微观混合研究领域的见解,为从事微观混合研究的学者们提供重要参考。