T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切-挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.      

垂直上升管内油—气—水三相弹状流压力降的研究

给出一种垂直上升油－气－水三相弹状流压力降的计算模型。该模型考虑弹状流中Ｔａｙｌｏｒ气泡周围下降液膜的变化历程。通过油－气－水弹状流的实验研究发现，该模型的数值模拟结果与低压工况下的实验值符合得较好。本模型是计算垂直油－气－水三相弹状流中液相的连续相为水相时的压力降的有效方法。     

台阶式并行微通道内气泡群自组装行为及其对气泡生成的反馈效应

台阶式微通道乳化装置因易于高通量生产均一性的气泡及液滴而受到关注.本文利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道装置空腔内的气泡群复杂行为及其对气泡生成的反馈效应.实验设计的操作变量为气液相进出口位置、气相流速和液相流速.在实验操作范围内,共发现了气泡的单管生成模式和多管生成模式.研究了空腔内气泡群复杂行为随操作条件的变化趋势.发现在受限空间内,气泡在水平面内发生挤压堵塞能够自组装成具有特定几何特点的二维晶格,分别为有序的行三角晶格、有序的竖三角晶格和无序的三角晶格.晶格结构与气相压力密切相关;同时,气泡界面能量随着气相压力的增大而增大.运用介尺度、能量和活化等概念分析了气泡群复杂行为对气泡生成方式的影响,充分阐释了受限空间内气泡群的介尺度效应.以变异系数CV来表示气泡的均匀性特征,考察了气泡晶格自组装行为的控制因素.结果表明:气泡的自组装路径由气泡尺寸及其分布决定,有序的三角晶格变异系数小于5%,无序的三角晶格变异系数大于5%.     

台阶式并行微通道内气泡群自组装行为及其对气泡生成的反馈效应

台阶式微通道乳化装置因易于高通量生产均一性的气泡及液滴而受到关注.本文利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道装置空腔内的气泡群复杂行为及其对气泡生成的反馈效应.实验设计的操作变量为气液相进出口位置、气相流速和液相流速. 在实验操作范围内,共发现了气泡的单管生成模式和多管生成模式.研究了空腔内气泡群复杂行为随操作条件的变化趋势. 发现在受限空间内,气泡在水平面内发生挤压堵塞能够自组装成具有特定几何特点的二维晶格,分别为有序的行三角晶格、有序的竖三角晶格和无序的三角晶格.晶格结构与气相压力密切相关; 同时, 气泡界面能量随着气相压力的增大而增大.运用介尺度、能量和活化等概念分析了气泡群复杂行为对气泡生成方式的影响,充分阐释了受限空间内气泡群的介尺度效应.以变异系数CV来表示气泡的均匀性特征, 考察了气泡晶格自组装行为的控制因素.结果表明: 气泡的自组装路径由气泡尺寸及其分布决定,有序的三角晶格变异系数小于5%, 无序的三角晶格变异系数大于5%.      

垂直向下管内两相流泡状-弹状流型转换研究

建立实验系统,在维持管道出口压力为0.2MPa的条件下,对内径分别为15mm、25mm、40mm、65mm的垂直向下管内空气-水气液两相流动进行了实验研究,获得了两相流泡状-弹状流型分布。实验研究发现:管径对于泡状流与弹状流流型特征有较大影响,并且进一步影响流型转换边界,随着管径增加,泡状流-弹状流的流型转换边界向折算气速减小的方向移动。基于理论推导及实验数据,建立了垂直向下管内气液两相流泡状流-弹状流流型转换预测模型,该模型对本文实验工况条件下的垂直向下管内空气-水气液两相流流型转换具有良好的预测效果,预测模型的计算结果与实验数据之间的误差小于10%。     

Y型微通道两相流内部流动特性

利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y 型微通道内液滴的形成. 主要考虑了Y 型角度（45°,90°,135°,180°）、两相流量大小等因素的影响. 发现在挤压机制中,Y 型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相的剪切作用,Y 型角度越小,分散相所受到的剪切作用越大. 在液滴生成过程中,连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布. 当Y 型角度小于180°时,角度的变化对液滴直径大小影响较小,但角度的减小会加快液滴的生成时间. 当Y 型角度为180°时,生成的液滴体积最大且生成时间最长. 毛细数对液滴直径和生成时间的变化同时产生影响,连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中,导致分散相更易破裂.      

水平管内气液两相螺旋流实验研究

为研究水平管内气液两相螺旋流的流动特性,开展了以空气和水为实验介质,含气率为10％～90％,气相折算速度为0.01～3.4m/s,液相折算速度为0.05～2.7m/s的气液两相螺旋流实验.利用高速摄影机记录并参考借鉴相关研究结果分析和划分了不同工况下的流型;给出了水平管内气液两相螺旋流的流型图;研究了不同流速、不同起旋参数对流动特性(压降、流型衰减、螺距、螺旋直径以及流型转换边界等)的影响.实验结论如下:将水平管内气液两相螺旋流的流型划分为螺旋波状分层流、螺旋泡状流、螺旋团状流、螺旋线状流、螺旋轴状流、螺旋弥散流6种;将绘制的流型图与经典Mandhane流型图进行对比,出现了线状流、弥散流和轴状流3种新的流型;泡状流的分布基本不变,层状流的分布发生变化,当气相流速在2m/s以内时是线状流和轴状流,而不是层状流;随着液相流速的提高,管内两相流动的损失逐渐变大,流型的衰减程度变弱,螺旋扭矩逐渐变大,螺旋直径逐渐变小.另外,随着叶轮角度的增大或者随着叶片面积的减小,流型转换边界均向进气量增大的方向推移.而当进气量一定时,随着叶轮角度的增大或者随着叶片面积的减小,同样流型转换边界趋于进水量增大的方向.最后,随着起旋角度的增大或者随着叶片面积的减小,压降均有逐渐变大的趋势.     

Y型微通道两相流内部流动特性刘

利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y 型微通道内液滴的形成. 主要考虑了Y 型角度（45°,90°,135°,180°）、两相流量大小等因素的影响. 发现在挤压机制中,Y 型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相的剪切作用,Y 型角度越小,分散相所受到的剪切作用越大. 在液滴生成过程中,连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布. 当Y 型角度小于180°时,角度的变化对液滴直径大小影响较小,但角度的减小会加快液滴的生成时间. 当Y 型角度为180°时,生成的液滴体积最大且生成时间最长. 毛细数对液滴直径和生成时间的变化同时产生影响,连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中,导致分散相更易破裂.     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一.然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究.本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究.在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状.模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证.通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响.计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响.非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态.此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡.垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一. 然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究. 本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究. 在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状. 模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证. 通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响. 计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响. 非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态. 此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡. 垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.      

二维水平通道内流动沸腾换热的格子Boltzmann模拟

利用格子Boltzmann方法模拟二维水平通道内水的流动沸腾过程,获得不同壁面过热度下流型特点和不同因素对换热过程的影响规律。结果表明,随着壁面过热度升高,流道内流型依次经历从泡状流、弹状流到反环流的转变,平均热流密度和平均换热系数先增大后减小。入口流速降低会使流道内出现受限气泡流,核态沸腾受到抑制。提高入口流速能够有效促进气泡脱离,壁面平均换热系数随入口流速增大而增大,但增长速率有所减小。减小通道宽度有利于汽化现象发生,核态沸腾得到强化,壁面平均换热系数有所提高。     

下倾管-立管水气严重段塞流数值模拟

针对海洋油气传输中常见的下倾管-立管系统, 采用Brackbill模型模拟气液相界面间表面张力, VOF方法追踪气液两相运动界面, 提出了管内气液两相流数值模拟方法. 在低气液相进口折算速度下, 数值模拟了该种管型下的严重段塞流动现象, 分析了相关物理参数的变化特性. 结果表明, 在严重段塞流下, 管内流型流态、压力、液塞运动速度、立管出口气液相平均速度、下倾管及立管内含气率等均具有明显周期性特征, 而且一个周期内严重段塞流可分为4个阶段, 进而给出了各阶段中相关参数的变化特性. 数值模拟结果与相关文献中的实验结果吻合良好,表明了该数值模拟方法的有效性.      

几何构型对流动聚焦生成微液滴的影响

流动聚焦型微流控装置能够方便、高效地生成均一度好且大小精确可调的微液滴(气泡),故被广泛应用于颗粒材料合成、药物封装、细胞培养等诸多领域. 进一步优化通道结构有助于实现对合成微粒粒径、均一度和尺寸范围的精确调控. 本文数值研究了通道深度、缩颈段长度以及两相夹角等几何构型因素对流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期各个阶段的影响. 控制液滴生成方式为滴流式,发现液滴直径随通道深度d 的增加近似呈线性增大,且当通道深度小于30 μm 时,随着通道深度的下降,微液滴生成周期在毛细力的强烈作用下出现骤升,通道深度超过80 μm 时,微液滴的生成周期基本接近恒定. 连续相和离散相的夹角θ接近90°时,液滴直径及其生成周期最短,夹角太大或太小均不利于生成均一度好且粒径微小可控的液滴. 调整缩颈段长度l引起液滴直径及其生成周期的变化幅度仅为其平均值的3%~5% 左右. 此外,缩颈段宽度也是影响流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期的重要因素,在通道深度固定时,缩颈段越宽,微液滴直径及其生成周期越大.      

微重力气液两相流动与池沸腾传热

综述了近年来中国科学院微重力重点实验室(国家微重力实验室)完成的一系列微重力气液两相流动与池沸腾传热方面的地基实验、飞行实验和理论研究等方面获得的主要成果.在微重力气液两相流动方面,提出了半理论Weber数模型用于预测微重力条件下气液两相弹-环状流转换,并采用Monte Carlo方法,针对气泡初始尺寸对泡-弹状流转换的影响进行数值研究.通过俄罗斯"和平号"空间站与IL-76失重飞机实验,获得了微重力下的气液两相流型图,与此同时在地面利用小尺度毛细管模型模拟了微重力气液两相流动特征.实验测量了微重力气液两相流压降,并基于微重力流动特性建立了一个泡状流压降关联模型.在微重力池沸腾传热方面,利用我国返回式卫星完成了两次空间实验,其中,第22颗返回式卫星搭载铂丝表面R113池沸腾实验采用控制温度的稳态加热方式,而实践8号育种卫星搭载平面FC-72池沸腾实验则采用控制加热电压的准稳态加热方式.同时,还进行了地面常重力和落塔短时微重力条件下的对比实验研究.观察到丝状加热表面微重力时轻微的传热强化现象,而平板加热表面微重力核态池沸腾低热流时传热强化、高热流时传热恶化.微重力实验中观察到气泡脱落前存在横向运动现象,据此分析了气泡行为与传热之间关系,并提出了一个预测丝状加热表面气泡脱落直径的半理论模型.旨在对相关领域的进一步发展和空间两相流系统的应用提供数据及理论支持.     

微管内气液两相流中液膜厚度的实验测量

微通道内气液两相流中气柱(plug bubble)与通道壁之间液膜厚度的实验测量,是微热管、微流动、微电子冷却以及气泡雾化等研究中普遍关注的问题.本文利用基于光学干涉和快速傅立叶变换的空间频谱分析方法,实验测量获取了含表面活性剂水中气柱在750μm 通道内运动时其与通道壁面之间的液膜厚度.实验结果表明:表面活性剂对液膜厚度的影响比较明显,即当表面活性剂浓度在一定范围内增大时,液膜厚度会减小;此外,当气柱运动速度在一定范围内增大时,液膜厚度也会减小.     

微通道壁面突起对片上电泳分离流动特性影响数值计算研究

针对制造过程引起的通道壁面突起对微流控芯片电泳分离使用的影响进行数值计算和理论分析研究.分析了壁面突起产生机制及其对电泳分离效果的影响;阐述了毛细管电泳分离的物理模型并进行了离散化;编制了电泳分离数值计算程序,采用有限体积法计算微通道内电参数分布、缓冲溶液流场分布和样品区带分布;给出微通道壁面突起高度和突起宽度对电泳分离过程影响的计算结果.从计算结果可知:壁面突起高度是影响电渗流流速的主要因素,当壁面突起高度与微通道宽度的比值从0增加至0.2,电渗流流速变化幅度约为20%.     

可降解性表面活性剂体系下水平管内气液两相螺旋流实验研究

通过气液两相螺旋流实验仪器,研究具有可降解性的天然椰子油新型添加剂对于气液两相螺旋流流型影响以及流型的转变规律,并与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)进行对比研究。实验工况设定为:实验介质为空气和水,含气率10%~90%,气相折算速度0.01~4.0m/s,液相折算速度0.01~4.0m/s,表面活性剂采用从植物提取的可降解性椰子油和SDBS,起旋装置为叶轮。实验观察到天然椰子油对于螺旋轴状流、螺旋团状流、螺旋弥散流转换特性的影响与SDBS的效果相类似,该三种流型发生条件相比于以往都有所提前,且存在范围被拓宽。浓度为500ppm时椰子油体系下的主要流型为螺旋弥散流,而SDBS体系下则以螺旋团状流为主。     

微管内气液两相流中液膜厚度的实验测量

微通道内气液两相流中气柱（plugbubble）与通道壁之间液膜厚度的实验测量，是微热管、微流动、微电子冷却以及气泡雾化等研究中普遍关注的问题。本文利用基于光学干涉和快速傅立叶变换的空间频谱分析方法，实验测量获取了含表面活性剂水中气柱在750μm通道内运动时其与通道壁面之间的液膜厚度。实验结果表明：表面活性剂对液膜厚度的影响比较明显，即当表面活性剂浓度在一定范围内增大时，液膜厚度会减小；此外，当气柱运动速度在一定范围内增大时，液膜厚度也会减小。     

微油滴供油条件下弹流润滑行为的数值分析

油气润滑条件下润滑油以微油滴形式供给摩擦副,基于此建立了简化的单个微油滴供油弹流润滑模型,模拟了微油滴通过弹流接触区的全过程.结果表明:卷吸速度和润滑油黏度会影响微油滴的扩展距离,进而使接触区油膜的形成产生差异.卷吸速度越高,或润滑油黏度越大,微油滴的扩展距离就会越小,油膜仅在接触区中部区域产生,微油滴类似硬质颗粒般在接触表面挤压出凹坑穿过接触区.理论结果和实验结果对比,具有良好的一致性.     

关于气液两相流流型及其判别的若干问题

气液两相流体系是一个复杂的多变量随机过程体系,流型的定义、流型过渡准则和判别方法等方面的研究是多相流学科目前研究的重点内容.本文就与气液两相流流型及其判别有关的研究状况进行了回顾和评述,力图反映近年来气液两相流流型及其判别问题研究的状态和趋势.