模拟微通道光生物反应器内光合细菌的成膜及产氢特性

引言 氢气由于具有清洁、热值高、来源广泛等优点被认为是未来理想的能量载体[1-2].生物制氢可以在不消耗一次能源的同时产生氢气,是未来研究与开发清洁能源的一个重要途径[3].光合细菌可以吸收光能、降解有机废水、产生氢气,能够将氢能开发和有机废物治理有机结合起来,具有广阔的发展前景[4-5].     

微小有限空间内微气泡控制生长的界面追踪与数值模拟

通过对微机电系统微流体器件中气泡生长实验结果的分析,考虑加热元表面液体微层的作用,将微气泡生长分为晶核形成、球形气泡、受侧壁挤压的气泡、沿微通道生长的气泡4个阶段,建立了矩形微通道内微气泡控制生长物理模型;采用Level Set Method模拟了矩形微通道内微气泡控制生长过程,获得了微气泡生长特性。数值模拟结果表明：微气泡初期生长速率较快,后期由于凝结率增大使生长速率减缓;液体温度、微通道宽度、微加热元宽度、加热电压等均对气泡生长始点和生长速率有显著影响。     

金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6N·m^-2;接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49N·m^-2,并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

Surfing the nanowaves: progress in understanding the gas-liquid interface

Recent work on the gas-liquid interface is discussed with emphasis on theoretical studies of the small-scale motion of the capillary-wave zone, experimental and theoretical studies of the ultra-small-scale surface roughness of liquids, experimental measurements of the Onsager heat of transport at a gas-liquid interface, the likely origin of the heat of transport at a molecular level, and the resolution of several types of paradoxical behavior that have been observed or predicted to occur at a liquid-vapor interface.     

气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展

气液两相流复杂多变的界面结构在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围.界面多尺度问题涉及化工领域、核安全领域以及其他多个领域,其可计算性是当前国内外气液两相流领域的研究焦点之一.分析了欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的两种基本模型以及湍流模拟方法对界面结构的影响.针对离散流界面尺度分布性和混合流界面跨尺度性两类多尺度问题,分析了可计算性研究面临的困境,将其归因于网格尺度的约束、几何及物理边界的缺失.重点归纳了混合流界面跨尺度性问题的计算方法以及典型应用.最后对气液两相流界面多尺度问题提出了应对策略及研究趋势,为此类问题研究提供有益的参考.     

Hydrodynamics of gas-liquid slug flow in capillaries: Comparing theory and experiment

The hydrodynamics of slug flow in a horizontal capillary with a diameter of 0.92 mm is experimentally studied using water-air and aqueous glycerol solution-air systems. The experimental data (the velocity of bubbles, the volume fraction of the gas, the relative length of bubbles, and the pressure drop) are compared with the results of calculation by the previously constructed mathematical model of the slug flow of a gas-liquid mixture in capillaries. The developed model is in satisfactory agreement with experimental data in the range of capillary numbers from 0.05 to 0.12.     

方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50 μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

光合细菌对啤酒废水处理的研究

采用光合细菌处理啤酒废水,对光合细菌的培养条件以及菌液投加量,温度对光合细菌净水效果的影响进行了探讨。结果表明,在人工光源照射下,培养液的pH值为7～8时,光合细菌最易于形成优势生长。其最佳接种量为20%～30%。净化啤酒废水过程中,最佳菌液投加量为30 mL/L,其最高的CODCr去除率达到80%。     

Effect of injection-nozzle operating parameters on the interaction between a gas-liquid jet and a gas-solid fluidized bed

The objective of the present study was to provide insight into the effect of operating conditions on the performance of gas-assisted nozzles injecting liquid into gas-solid fluidized beds. Acquisition of such knowledge is relevant to many industrial applications where liquid injections into fluidized beds of solid particles are performed via spray nozzles. In the fluid coking process, for example, product yields and reactor operability strongly benefit from a rapid and uniform distribution of the liquid feed on fluidized solid particles, which, in turn, is greatly affected by the performance of the liquid-injection system used.A novel experimental technique was employed to investigate the effect of varying the air-to-liquid ratio (ALR), the liquid mass flow rate, and the nozzle size on the contact efficiency of injected liquid on fluidized bed particles. Increasing the ALR or the liquid flow rate increased the nozzle spraying efficiency. On the contrary, increasing the nozzle size while keeping the gas and the liquid flow rates constant, and hence decreasing the pressure at the nozzle tip, lowered the liquid-solid contact efficiency.The effect of increasing the ALR on the liquid-solid contact resulting from nozzle-injections into the fluid bed, was correlated to both the nozzle atomization performance, as determined by open-air tests using a laser-photocell equipment, and the solids entrainment into the gas-liquid jet, as predicted by a model.     

气液相变换热过程中界面腐蚀的基础研究进展

由于两相之间会不断转换,相变换热被称为复杂的传热传质过程,其过程中会引起相变腐蚀,如冷凝液滴腐蚀、气泡腐蚀以及多相流流动腐蚀等。目前对于气液相变腐蚀的研究集中在对腐蚀产物的表征、分析,忽略了相变过程中由于能量传递引起的界面变化对腐蚀的影响。本文从相变腐蚀机理、腐蚀防护两方面出发,系统地总结管道内外冷凝液滴腐蚀、气泡腐蚀与多相流流动腐蚀等气液相变腐蚀领域的研究进展,并对其中存在的问题进行总结,同时归纳了用于研究相变腐蚀过程的腐蚀预测模型,分析其应用场合以及各种模型的优势与不足,以期为研究气液相变腐蚀监测与控制的学者提供参考,并指出气液相变换热过程中的气液两相界面腐蚀问题是未来相变腐蚀研究的重要方向。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1～0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差（MAE）为11.42%。     

光合细菌降解有机污染物的研究进展

利用微生物降解有机污染物是环境工程研究的热点之一。光合细菌(PSB)以其特有的生理特性和降解多种有机污染物的能力，日益受到了人们的重视。综述了光合细菌降解较复杂的有机污染物的种类、降解机理、有关的降解酶类和降解性质粒等方面的研究工作，为进一步扩大光合细菌实际应用展示了广阔的前景。