并行微通道内液液两相流及介尺度效应

使用高速摄像仪研究了T形并行微通道液液两相流的流型。以甘油-水溶液为分散相、含5%（质量分数）道康宁的硅油为连续相,下游通道中观察到了塞状流、液滴流、环状流和并行流4种流型,绘制了流型图及流型转变线。研究了后空腔中液滴群的形态,运用介尺度概念分析了后空腔中液滴群的行为对流量分配的影响。观察到后空腔中液滴群的挤压、松散、有序排列和并行排列等4种形态,不同形态的转变主要受两相流量比的控制。研究了两相流量比对并行微通道内流量分配的影响,以及分析了不同操作条件下影响流量分配的主导因素。在两相流量比较小时,流量分配由下游通道的流体阻力主导,而两相流量比较大时由后空腔内液滴群动力学主导。     

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...     

T型微通道内液-液两相流流型研究

论文建立了T型微通道内液-液两相流动理论模型并采用格子Boltzmann方法进行了数值模拟,研究了T型微通道内液-液两相流型形成机制及其影响因素。采用已有文献中的实验数据验证了模型的合理性。研究结果表明,T型微通道液-液两相流流型主要由两相入口流量比和离散相We数决定,通过调整入口流量比和离散相We数,可获得弹状流、离散液滴、平行流等经典流型。离散相的相对长度受连续相毛细数Ca影响明显。当连续相毛细数较大,离散相形成液滴,离散相相对长度随连续相毛细数Ca呈单调减少趋势。     

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。     

T形微通道结构中液液两相流动与传质规律

对单级和双级T形微通道结构中水和甲苯两相流动与传质进行了实验与模拟,拍摄了两相流动流型变化,通过测量醋酸在水和甲苯两相的分配获得了T形微通道中液液两相传质系数.采用VOF流体力学模型模拟了T形微通道中弹状流的形成和变化过程,准确预测了弹状尺寸.研究发现,无论流动处于弹状流还是并行流,在保持相同停留时间条件下,双级T形微...     

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。     

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。     

旋转式微通道内液液萃取的流型及传质

利用高速摄影仪观测了2-乙基己基磷酸单2-乙基己基酯（油相）与硝酸铬水溶液（水相）在旋转式微通道（RME）内部的液-液两相流流型，主要观察到了滴状流型（上油下水片状流、滴状片状流、滴状带状流）、带状流型（带状流、紊乱流）、上水下油流型（上水下油滴状流、上水下油片状环状流、上水下油带状流、上水下油丝状流），共3类，9种。考察了微通道设备的尺寸、内筒转速以及进料流速对流型的影响。发现了随着流速和转速的增加，RME内部的流型从滴状流型到带状流型再到上水下油流型的一个转变。进一步利用水油两相的韦伯数将微通道内部的惯性力和黏性力相关联，绘制了流型图，发现了RME内部惯性、黏性力的线性变化关系。最后在9种不同的流型下进行铬的萃取实验，找到了可实现较高萃取级效率的流型。该旋转式微通道内部流型的研究可以为后期的实验和设备的应用奠定基础。     

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。     

微通道内传递对液液分散过程的影响规律

在同轴环管微通道中,采用水/正辛醇形成两相体系,利用硫酸向水中传质并释放热量以实现伴随传质传热的微分散过程,研究了两相流速、硫酸浓度对两相流型和液滴大小的影响规律。结果发现,传递会引发O/W/O新流型的产生和流型分布区域变化。探讨了传递强度对于分散液滴尺寸的影响,通过计算液滴脱落时的动态界面张力,分析了传质和传热对于液液微分散影响的大小。     

T型微通道内液滴尺寸的实验测定与关联

利用高速摄像仪对不同深宽比的T型微通道内液滴尺寸进行了实验研究。分别采用3种不同尺寸(深度×宽度)的微通道:400 μm×400 μm、400 μm×600 μm、400 μm×800 μm。以环己烷为分散油相,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%、60%)溶液为连续相。考察了弹状流、过渡流和滴状流流型下微通道尺寸、两相流率、物性对液滴尺寸的影响。结果表明:液滴尺寸随微通道深宽比、连续相流率、黏度和毛细数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加。用毛细数、两相流量比和通道深宽比对微通道内液滴尺寸进行了关联和预测,预测值与实验结果吻合良好。     

十字聚焦型微通道内弹状液滴在黏弹性流体中的生成与尺寸预测

利用高速摄像仪对十字聚焦微通道内液滴在黏弹性流体中的生成过程进行了实验研究。微通道截面为600μm×600 μm 的正方形结构,采用硅油作为分散相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的聚环氧乙烷(PEO)水溶液(质量分数分别为0.1%,0.3%,0.6%)为连续相。实验观察到了弹状流、滴状流和喷射流3 种流型。对弹状流型下液滴生成过程的颈部动力学进行了研究,考察了两相流率、连续相毛细数及弹性数对液滴尺寸的影响。结果表明:弹状液滴尺寸随连续相流率、毛细数及弹性数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加,连续相弹性对液滴尺寸的影响相对较小。以油水两相流率比和连续相的毛细数及Reynolds 数为变量建立了弹状液滴尺寸的预测关联式,预测值与实验值吻合良好。     

Liquid‐liquid two‐phase flow patterns in a new helical microchannel device

Flow patterns of liquid‐liquid two‐phase fluids in a new helical microchannel device were presented in this paper. Three conventional systems were considered: kerosene‐water, n‐butyl acetate‐water, and butanol‐water. Six different flow patterns, slug flow, continuous parallel flow, discontinuous deformation parallel flow, discontinuous deformation parallel‐droplet flow, droplet‐slug flow, and filiform‐droplet flow, were observed. The influence of interfacial tension, microchannel structure, and rotation rate on two‐phase flow patterns were studied, and a universal flow pattern map was presented and discussed. The systems without mass transfer (0.1 g/g (10 %) tri‐n‐butyl phosphate (TBP)‐water, 0.2 g/g (20 %) TBP‐water, and 0.8 g/g (80 %) TBP‐water) and the system with mass transfer (0.8 g/g (80 %) TBP‐0.62 g/g (62 %) H₃PO₄) were used to verify the validity of the proposed universal flow pattern map in predicting flow patterns. The results showed that the former compared with the latter can be predicted more accurately by the universal flow pattern map.     

微小通道内低Reynolds数液-液两相流动与换热特性实验研究

实验研究了圆形微小通道内液-液两相流的流动和换热特性。选用去离子水为分散相,高黏度二甲基硅油为连续相。通过处理高速摄像所拍摄的可视化图像,总结了液-液两相流流型和液滴的长度/形状特征。并在此基础上考察了低Reynolds数下液-液弹状流对微小通道的换热作用。结果表明,平均Nusselt数随着Reynolds数的增加而增加,且油水比越大传热系数增加幅度越明显。Nu随着含水率的增加而降低。虽然含水率增加会使两相平均热容量提高,但在低Reynolds数下,这种提高被其长液滴内较弱的循环强度所抵消。选用三种不同形式接头在相同混合速度和含水率的情况下生成不同长度的液滴,发现短液滴更有利于换热。相同工况下,液滴长度的优化可以使整体传热系数提高近26%。     

Numerical study on gas and liquid slugs for Taylor flow in a T-junction microchannel

The rapid development of microfabrication techniques creates new opportunities for applications of microchannel reactor technology in chemical reaction engineering. The extremely large surface-to-volume ratio and the short transport path in microchannels enhance heat and mass transfer dramatically, and hence provide many potential opportunities in chemical process development and intensification. Multiphase reactions involving gas/liquid reactants with a solid as a catalyst are ubiquitous in chemical and pharmaceutical industries. The hydrodynamics of the flow affects the reactor performance significantly; therefore it plays a prominent role in reactor design. For gas/liquid two-phase flow in a microchannel, the Taylor slug flow regime is the most commonly encountered flow pattern. The present study deals with the numerical simulation of the Taylor flow in a microchannel, particularly on gas and liquid slugs. A T-junction empty microchannel with varying cross-sectional width (0.25, 0.5, 0.75, 1, 2 and 3 mm) served as the model micro-reactor, and a finite volume based commercial computational fluid dynamics (CFD) package, FLUENT, was adopted for the numerical simulation. The gas and liquid slug lengths at various operating and fluid conditions were obtained and found to be in good agreement with the literature data. Several correlations in the T-junction microchannel were developed based on the simulation results. The slug flows for other geometries and inlet conditions were also studied.     

并行微通道内气液相分配规律

微反应器的集成放大对于微化工技术的工业应用具有重要意义。利用高速摄像仪对4个并行微通道内气液两相流动状况及相分配规律进行了研究,考察了气液两相流量及液相黏度对两相分布均匀性的影响。实验所用液相为含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油溶液,气相为氮气（N₂）。实验观察到了6种典型的两相流型。对各支通道均为弹状流情况下气泡长度和气泡速度的分布规律进行了研究。在一定气相流率下,各支通道气泡长度的相对标准偏差随液相流率的增大而增大,气泡速度的相对标准偏差值随液相流率的增大先升高到一定值然后逐渐减小。气相分配不均匀性随液相流率和黏度的增大而增大,液相分配不均匀性随液相黏度的增大而减小,气相流率的变化对于两相分布影响不明显。研究结果有助于并行微通道的结构设计与优化,以实现更为均匀的气液两相流动分配。     

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。     

Y聚焦型微通道内磁流体液滴的生成与调控

利用高速摄像仪研究了截面为400 μm×400 μm Y聚焦型微通道内磁流体液滴在矿物油中的生成过程。以水基磁流体EMG 807为分散相,含4%表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。实验观察到了3种流型：弹状流、滴状流和喷射流。分别考察了两相流量、连续相毛细数及磁感应强度对液滴尺寸及生成过程的影响。结果表明：可通过改变两相流量及磁场调控液滴尺寸。当分散相流量不变时,液滴尺寸随着两相流量比的增加而减小。液滴尺寸随着连续相毛细数及磁感应强度的增加而减小,随着分散相流量的增加而增加。以两相流量比、连续相毛细数和磁Bond数为参数提出了一个液滴尺寸的关联式,预测值与实验值吻合良好。     

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。