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。     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。     

蛇形微通道内泄漏流特性

微流体系统通常具备极大的比表面积、易于控制等优势,在气-液相传质、传热、反应等方面具有良好的应用前景。本文考察了6个气液相体系在矩形截面蛇形微通道中的气液两相泰勒流流动情况以及气泡和液弹的动态行为,以气泡截面形状的几何模型为基础,得到了微通道中净泄漏流的量化方程。同时发现在较大的操作区间内,蛇形微通道对泄漏流的可控性优于直形微通道。并且详细分析了不同气液相流量、液相物性（表面张力和黏度）和气泡长度对蛇形微通道主通道净泄漏流的具体影响。     

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。     

微通道内气-液弹状流动及传质特性研究进展

气-液弹状流,又称Taylor流,是一种以长气泡和液弹交替形式流动的流动形态。微通道内气-液弹状流因其气泡与液弹尺寸分布均一、停留时间分布窄、径向混合强等优点,是一种适于强化气-液反应的理想流型。本文首先介绍了微通道内气泡的生成机理、气泡和液弹长度,以及气泡生成阶段的传质特征。其次系统综述了主通道中弹状流动及传质过程的研究进展,包括气泡形状与液膜厚度、液弹内循环和泄漏流特征、气-液传质系数的测量与预测,以及物理与化学吸收过程中的传质特性等方面内容。最后阐述了当前研究的不足并展望了气-液弹状流的研究方向。     

微通道气液两相流研究进展

介绍了国内外微化工发展背景及发展现状,微通道内气液两相流流动气泡特性和传质特性。微通道中(横向及竖向微通道)气液两相流流型划分主要有泡状流、弹状流、环状流、搅拌流等。气泡形成过程中流体挤压力对气泡表面进行破坏致使分离,表面张力则在整个过程中维持着气泡形状及长度。着重介绍了微通道内气泡形成过程及经验长度计算,比较了不同研究者提出的经验公式中气液相表观速度比和气泡长度的关系,得出气泡长度均随气液相表观速度比的增加而增加,但依据研究者实验条件不同增加趋势也不尽相同。传质方面,研究基本集中在气液相比表面积较大的泡状流、环状流上,而气液表观速度、当量直径、压强等都会影响传质系数。微通道气液两相流虽然在传热、传质方面有很大的应用前景,但仍存在研究手段单一、理论数据不完善等问题,指出在未来的研究中研究者们要扩大领域范围,为传质传热的实际应用提供更可靠的理论依据。     

垂直放置矩形微通道内气液二相流流型研究

文章采用激光影像放大系统,对垂直放置的100μm×800μm矩形微通道内气液二相流流型进行了实验观测和研究,实验物系为乙醇-空气体系。根据实验结果绘制出流型转换图,并进行了分析和讨论。实验观测到弹状流、液环-弹状流、液环流、液环-分层流、分层流和波状流,而未观察到气泡直径小于微通道内径的气泡流,其中稳定的分层流文献中尚未见报道。     

入口角度及壁面性质对蛇形微通道内弹状流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在Y型汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同壁面性质的蛇形微通道内弹状流流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。通过验证实验后,模拟计算了气相速度,Y型夹角和壁面性质对气泡长度的影响,以及Y型夹角对微通道内弹状流压降和流动阻力的影响;探讨了粗糙度与壁面润湿性对流动阻力的影响;同时,针对蛇形微通道弯管部分,分析了角度和壁面性质对弹状流流动的影响。通过计算,发现当壁面接触角及Y型夹角为90?时,气泡长度最大;当直微通道为亲水性光滑壁面,回转弯道为粗糙度较大的疏水壁面时,Po数较小。     

基于微吸收器的CO2吸收过程研究进展

微化工技术在流体流动、过程强化、传质与反应过程等领域备受关注,本文归纳整理了3种不同类型的微吸收器（微降膜吸收器、微通道吸收器和微网格吸收器）捕集CO₂过程中的水力学性质和传质过程及其机理研究进展,并对3种微吸收器吸收CO₂过程中存在的问题进行分析总结,同时对微吸收器能快速工业化提出展望。其中重点介绍了微通道泰勒流吸收器的水力学流动特性,包括泰勒流气泡的生成机制、气泡和液弹的长度、气泡的输运和运动速度、气泡截面形状及液膜厚度和气液两相流压降;归纳了微通道泰勒流吸收过程的传质过程机理和传质系数的模型以及不同影响因素（通道截面尺寸,通道长度,主通道结构及入口形状,气、液相组成及其流速,吸收剂和系统压力）作用下CO₂吸收效率和传质系数的研究进展。     

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。     

注气孔位置对文丘里管式微气泡发生器成泡特性的影响分析

尽管文丘里管式微气泡发生器的注气口位置会对气泡在文丘里流道内的碎化特征产生直接影响,但迄今缺乏针对性的深入研究。通过可视化实验方法,对比分析了注气口分别位于喉管处（结构1型）和进水管处（结构2型）时的气液流型、气泡破碎特征以及成泡特性。实验表明,气、液相流量对结构1型微气泡发生器内的气液流型影响显著,初始成泡区域随液相流量增加,环状流或泡状流向弹状流转变,而随气相流量增加则由泡状流或弹状流向环状流转变;结构2型微气泡发生器则在此过程中始终为泡状流,其对操作工况的适应范围大于结构1型。在相同工况下,结构1型微气泡发生器的成泡Sauter平均粒径小于结构2型,但随着液相Reynolds数的增大,二者间的成泡平均粒径差值随之减小。分析原因是由于弹状流流型下,延伸至扩张段区域的弹型泡的表面积更大,能量转化率更高,气泡界面失稳碎化的程度更显著。随着液相Reynolds数的增大,初始成泡体积减小,湍流破碎机理作用占据主导,掩盖了由于界面失稳引起的气泡破碎。结构1型微气泡发生器的成泡能耗高于结构2型,并且随液相Reynolds数的增大,两者之间的差值随之增大。综合来看,结构2型微气泡发生器能够在低能耗下实现高效成泡,面向工程应用将更具优势。     

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。     

微通道分流弹状流的界面过程及压力演变规律

弹状流分流不仅能调控两相流流型从而强化传热,同时也是生物化工、制药行业的传统过程。针对壁面微通道分流液相、调控两相流型的过程进行数值模拟,获得局部参数变化规律,是获得两相流流型演变机理的基础。采用VOF模型耦合动态自适应网格精准追踪气液界面,模拟气液界面在分液口的界面运动;获得轴向及壁面静压、动压的演变规律。通过模拟可知微通道分流弹状流的关键是气弹在分液口的类活塞运动;同时由于界面拉普拉斯压力差的存在,弹状流压降具有不连续性;且此不连续压力随气弹在分液口的类活塞运动具有周期波动性。而弹状流液桥部分的局部压降是影响总压降的关键;近气弹头部的液相区压降显著,近气弹尾部的液相区域由于液速降低其压降明显衰弱;此为弹状流有别于其他两相流流型的压降特点。     

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。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。     

微通道分流弹状流的界面过程及压力演变规律

弹状流分流不仅能调控两相流流型从而强化传热,同时也是生物化工、制药行业的传统过程。针对壁面微通道分流液相、调控两相流型的过程进行数值模拟,获得局部参数变化规律,是获得两相流流型演变机理的基础。采用VOF模型耦合动态自适应网格精准追踪气液界面,模拟气液界面在分液口的界面运动;获得轴向及壁面静压、动压的演变规律。通过模拟可知微通道分流弹状流的关键是气弹在分液口的类活塞运动;同时由于界面拉普拉斯压力差的存在,弹状流压降具有不连续性;且此不连续压力随气弹在分液口的类活塞运动具有周期波动性。而弹状流液桥部分的局部压降是影响总压降的关键;近气弹头部的液相区压降显著,近气弹尾部的液相区域由于液速降低其压降明显衰弱;此为弹状流有别于其他两相流流型的压降特点。     

矩形小通道内气液两相流垂直向上流动特性

以氮气和水为实验介质,利用高速摄像机对水力直径为1.15 mm的矩形小通道内的气液两相垂直向上流动特性进行可视化研究,依次得到泡状流、弹状流、搅拌流和环状流4种典型的流型图像。针对小通道内气泡之间相互无遮掩性的优势,运用图像处理技术对流型图像分形增强,检测气泡边缘并填充后根据提出的气相体积模型,得到两相流动的含气率。结合实验数据,根据分液相Reynolds数把流动分为层流区、过渡区和紊流区,并对Chisholm关系式进行修正,结果表明：修正后的压降模型能较好地预测本文实验结果。     

不等宽T型分岔微通道内气泡的体积分配规律及关联

采用高速摄像仪对不等宽T型分岔微通道中气泡的破裂和体积分配规律进行了研究,分别考察了气液流量与液相黏度对气泡分配规律的影响,同时研究了子气泡对气泡破裂的反馈效应。结果表明:由于微通道下游子气泡对分岔口处气泡破裂的反馈效应,两个子气泡体积分配比V_2/V_1随气液流量比的增大呈先增大后减小的非线性变化趋势。随无量纲母气泡体积V_0/w_0~2h的增大,V_2/V_1也呈先增大后减小的变化趋势,并且存在一个临界无量纲母气泡体积(V_0/w_0~2h)c。在实验范围内,气液流量比对(V_0/w_0~2h)c的影响较大,而液相黏度对(V_0/w_0~2h)c的影响可以忽略。提出了子气泡体积分配比的关联式,计算值和实验结果吻合良好。     

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。