微反应器结构对气液二相分布规律的影响

采用高速摄像仪对3种结构的微反应器内气液二相流型、流动分布及空隙率进行了研究。微反应器采用内置分布实现气液二相分布,3个内置分布器分布角度依次为60°,90°,120°。采用各支通道内气泡长度、气泡速度的相对偏差,相对标准偏差值体现气液二相分布的不均匀程度,考察了分布器结构对各支通道内空隙率的影响。结果表明:随内置分布器分布角度的增大,在实验范围内,各支通道气泡长度分布均匀程度减小,气泡运动速度分布均匀程度增大。各支通道空隙率变化与内置分布器分布角度及支通道与主通道的相对位置有关。     

对称分支并行微通道中气液两相流的均匀性规律

采用高速摄像系统研究了对称分支形并行微通道内气液两相流及弹状气泡均匀性规律。实验中分别采用含0.3% SDS的甘油-水溶液与氮气作为液相和气相。观察到弹状流和泡状流两种流型,作出了由两相操作条件构成的流型图及流型转变线。结果表明,气泡非均匀性主要由两微通道内流体之间的相互作用、下游通道中流体动力学的反馈作用以及通道制造误差造成。随液相黏度增大,气泡均匀性变好;在高液相流量以及低气相压力下操作,气泡尺寸分布更易达到均匀。基于压力降守恒原理和微通道内气液两相流阻力模型,构建了两通道中气泡尺寸的预测模型。     

对称分支并行微通道中气液两相流的均匀性规律

采用高速摄像系统研究了对称分支形并行微通道内气液两相流及弹状气泡均匀性规律。实验中分别采用含0.3%SDS的甘油-水溶液与氮气作为液相和气相。观察到弹状流和泡状流两种流型,作出了由两相操作条件构成的流型图及流型转变线。结果表明,气泡非均匀性主要由两微通道内流体之间的相互作用、下游通道中流体动力学的反馈作用以及通道制造误差造成。随液相黏度增大,气泡均匀性变好;在高液相流量以及低气相压力下操作,气泡尺寸分布更易达到均匀。基于压力降守恒原理和微通道内气液两相流阻力模型,构建了两通道中气泡尺寸的预测模型。     

壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La均随气、液相表观流速的增大而增大,随通道壁面润湿性的增强而增大。     

气体入口角度和截面宽高比对微通道内泰勒气泡行为的影响

微通道的几何参数对于气泡或者液滴在其中的形成过程有着显著的影响。采用流体体积法(VOF法)研究了不同气体入口角度以及不同通道截面宽高比对微通道内气液两相流流动状况的影响。在所研究的操作范围内,各个微通道内的两相流流型均为泰勒流,并且在大多数情况下气泡长度分布均匀。在通道截面宽高比为0.5～2条件下,60°的气体入口角度有利于产生较短的气泡;如果通道截面宽高比达到4或8时,45°的气体入口角度更有利于形成较短的气泡。此外,随着通道截面宽高比的增大,通道内气泡的量纲1长度也随之增大,气泡长度分布的均匀性也逐渐变差。当通道截面宽高比增大到8时气泡长度分布变得很不均匀。     

阶梯式T型微通道内有序气泡群的形成和流动特性研究

微流控技术制备微气泡因其过程可控、操作范围宽等特性而备受关注。选择阶梯式T型微通道作为微气泡生成的设备，利用高速摄像机研究了高气相含量下气泡群的自组装行为和流动特性，探索了液相体积流量、液相黏度、气相输入压力和通道宽度等因素对气泡群的影响规律。结果表明，只有当通道内的气相含量大于液相含量时才能形成有序的气泡群(气泡群晶体)，且气泡群晶体在受限空间内能够沿着通道宽度或深度方向自组装成不同行数的结构。此外，系统研究了不同操作参数对气泡群晶体运动速度的影响规律。气泡群晶体运动速度随着液相体积流量变化的规律与气液两相的总体积流量变化规律一致。最后，提出了提升气液体系流动理想性的策略，并构建了预测气泡群晶体流动理想性的无量纲数学模型。     

非对称Y型分岔微通道内气泡破裂与分配规律

利用高速摄像仪对气泡在非对称Y型微通道分岔口的破裂行为和分配规律进行了实验研究。采用氮气（N₂）作为分散相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油（质量分数分别为20%、40%、50%）溶液为连续相。在分岔口处观察到了3种不同的气泡行为：无间隙的不对称破裂、有间隙的不对称破裂以及不破裂。考察了气泡破裂和不破裂行为之间的转变,并与文献进行了比较。考察了两相流率及物性对破裂气泡分配规律的影响。结果表明：破裂后两个子气泡的长度均随气相流量与气泡长度的增大而增大,随液相流量和黏度的增大而减小。随液相速度和黏度的增大,气泡破裂的不对称程度减弱。     

低温气液两相弹状流动中Taylor气泡的统计特征?I. Taylor气泡长度

为了研究倾角(q)和管径对低温气液两相流中Taylor气泡长度分布规律的影响,在6种管路倾角下,以液氮为工质,使用高速相机对4种内径透明抽真空Pyrex玻璃管内的弹状流动进行了可视化实验. 结果表明,低温弹状流动中Taylor气泡长度分布的统计特征可由对数正态分布函数描述,Taylor气泡长度分布的标准偏差受到液膜射流直接影响,并随q减小先增大后减小. Taylor气泡无量纲平均长度随管路轴向位置增大而线性增加,随管路内径增加呈指数下降趋势,随q减小而增大,最小值出现在70o≤q≤90o.     

制冷剂在微通道扁平T型管内的气液两相流相分配特性研究

气液两相流在常规T型管内的相分配特性已得到充分研究,但少有文献关注微通道扁平T型管内的两相流分配特性。以两相制冷剂R134a为工质,对扁平T型管内的相分配特性进行了实验研究。实验结果表明,气液两相流在扁平T型管内的液相进口流速增加会使液相分离比减小,气相分离比增大;进口干度增加使液相分离比增大,气相分离比减小;气相进口流速对扁平T型管内泡状流的相分配影响较小。由相分配模型预测值与实验值对比可知,现有的相分配模型还无法准确预测扁平T型管内泡状流的气液相分离比。在进口干度为0.45~0.5时扁平T型管内制冷剂R134a气液相分配比较均匀。     

吹气发泡法制备闭孔泡沫铝发泡过程的三维数值模拟

吹气发泡法制备闭孔泡沫铝的过程实质上是搅拌流场中复杂的两相流动过程,应用计算流体力学方法分析由倾斜轴倾斜叶片引起的发泡熔池内气液两相强旋湍流流动过程. 在双流体模型基础上引入多重参考系法描述搅拌两相流场,通过分析相间相互作用及湍流模型进行封闭. 解气泡数密度函数的输运方程来分析气泡聚合和破碎引起的气泡尺寸变化. 应用体积积分的方法,计算平均及局部气含率及气泡直径. 考察了桨叶转速及气体流率对气泡直径及其分布的影响. 结果显示,气含率随桨叶转速和气体流率增加而增大;气泡直径随气体流率增加而增大,随桨叶转速增大而减小.     

微通道内气-液传质研究

以CO₂-H₂O为模型体系，实验考察了当量直径为667 μm的单通道和16个并行通道内的气-液传质行为.实验发现，液体表观速度增加，单通道内液侧体积传质系数明显提高;同一液体表观速度下，液侧体积传质系数随气体表观速度增加而增加;在实验数据基础上关联了液侧体积传质系数与气-液两相流参数间的关系.微通道内的液侧体积传质系数较常规尺度气-液接触设备至少高1～2个数量级.并讨论了并行微通道内气-液两相流分配特性对整体传质性能的影响，表明合理设计气、液流动分布结构，可保证微通道内优异的传质特性.     

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。     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。     

梳状并行微通道内液液分布规律研究

为了实现工业化应用,微反应器的并行放大已成为最有效的放大策略之一。在微反应器的放大过程中,相分布规律的研究是非常重要的。采用高速摄像仪研究了梳状并行微反应器的支通道间距和流量对液液两相分布的影响。当连续相和分散相流量Q_c及Q_d都较小时,不同支通道间距的微反应器内前方支通道的分散相含率较低,后方支通道的分散相含率较高,同时液滴长度的均匀性较差。随着Q_c与Q_d的增大,三种不同构型微反应器内分散相的体积相含率的数值分布逐渐趋于集中。在较高的两相流量下,支通道内液滴长度的均匀性显著提高,其变异系数小于0.15。在实验范围内,支通道间距S = 0.6 mm的微反应器中液滴尺寸均匀分布的操作范围最大。     

筛孔塔板上气相错流对液相流场影响的实验测量

利用热膜流速仪、测量了矩形塔内光板上液体单相流动以及筛孔板上气液两相流动时的液体流速分布，实验主要考察气液两相错流时，气体鼓泡作用对鼓泡区下游液体流速分布的影响，实验结果表明，单相流动时，受壁面效应的影响，靠近塔壁的液体的速度最低，气液两相错流时，受气体阻力作用的影响，靠近壁面液体的速度反而大于远离壁面处液体的速度，气相流量越大对液相流场的影响作用越强。     

气液两相流摆动特性实验的数值模拟

为了给鼓泡塔反应器设计提供依据,运用计算流体力学(CFD)软件模拟了鼓泡塔气液两相流动态行为。采用双欧拉法对鼓泡塔矩形反应器内不同曝气量下气液两相流的摆动特性进行了模拟考察,液相采用标准κ-ε紊流模型,气相采用分散相零方程模型,分析了网格尺寸、时间步长以及相间作用力对模拟结果的影响,模拟的曝气量为42.5~237 m L/s。结果表明,当相间作用力仅考虑阻力时,气液两相流呈现周期性摆动规律;随着气流量的增加,气泡羽流的摆动幅度和频率增大,同时液体的气含率也在增加;模拟的气液两相流摆动频率数据与实验值吻合较好,两者的相对误差为7.2%~12.9%。     

矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率分布实验研究

应用电导探针测量技术,对矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率进行实验研究。在不同的气相折算速度下,应用电导探针测量了弹状流弹单元的长度,并与可视化方法进行对比,验证了电导探针的可靠性,并为信号处理选择合适的阈值。分别在泡状流、弹状流及环状流三种流型的条件下,分析了气相与液相折算速度对局部含气率分布的影响。实验结果发现,螺旋通道气液两相局部含气率呈非对称的抛物线形分布,这种非对称性受流型和液相折算速度的影响。