复杂材料的微相分离和结构演变

共聚高分子和表面活性剂系统常常能够形成不同尺度的复杂结构,在材料和生物技术领域具有广泛的用途.这种结构及其形成过程与自然界中大量存在的斑图及其演化过程具有非常类似的机理,受到不同学科研究者的广泛关注.在高分子系统的分子热力学、微相分离及结构演变过程领域已经开展了大量的研究工作,已成为凝聚态物理、高分子物理、统计力学理论和计算机模拟的热点之一.在分子尺度上,基于格子和自由空间的分子热力学模型、计算机分子模拟方法可以用于描述高分子系统的相平衡和分子的聚集形态.在介观尺度上,时间相关的Ginzberg-Landau理论、元胞动力学方法等可以有效地研究微相分离结构的演变过程及其受外场的影响.而耗散粒子动力学模拟则可以将分子尺度和介观尺度的研究结合起来,是一种跨尺度的研究方法.多尺度研究方法的发展将成为今后研究的重点.本文总结了该领域的某些研究进展.     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展，但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题，难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上，基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭，如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等；这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制，进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递，如介尺度曳力；另一类用于封闭离散相特征参数的演化，如介尺度群体平衡模型，计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用，并展望了未来发展方向和关键科学问题。     

立式分离器两相流场数值模拟

针对海上平台的发展趋势,所开采出的为油气混合液需要分离处理。因海上平台自身的特点,提出了海上平台主要以立式分离器为主来进行气液分离。而立式分离器其本身的分离效能对海上平台的应用至关重要。因此采用CFD模型(计算流体力学)方法对油气两相分离过程中的两相流场进行了数值模拟分析,模拟结果表明,所采用的数学模型和数学模拟计算方法正确。通过分析,可以预测并反映混合液变量中,流体的不同速度,粘度对气液两相分离的分离效能产生的规律及影响,并更加系统深入地探讨了立式分离器内气液两相的流动及特,从而预测了提高立式分离器气液分离的分离效能的影响因素,数值模拟计算结果可为海上平台的气液分离提供一定的理论指导。     

超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制

采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构（如气泡）对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的“三传一反”行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体（TFM）传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构(如气泡)对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的"三传一反"行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体(TFM)传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

T型通道内气液两相流相分离研究进展

回顾了气液两相流在T形处相分离研究的起因,阐述了对其研究的意义。从实验研究方面着重介绍了不同因素对T型通道内气液两相流相分离的影响。在模型研究方面,介绍了目前为止的3种模型化方法,简单阐述利用数值模拟(CFD)方法研究气液两相流相分离的情况,指出了T型通道内气液两相流相分离的研究难点,并且对该领域今后的主要研究方向进行了展望。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度(EMMS)方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

双水相分配结合温度诱导相分离从酵母中提取谷胱甘肽

对用双水相分配技术结合温度诱导相分离技术从酵母中提取谷胱甘肽（GSH）进行了研究．考察了GSH在环氧乙烷──环氧丙烷无规共聚物（EOPO）／羟丙基淀粉（PES）系统中的分配行为,包括两次分离过程（双水相分配及温度诱导过程)中的不同系统组成、pH等对GSH分配的影响,确定了较佳的双水相系统──EOPO400013％,PES10010％,pH=10.5．在此基础上进行了从酵母细胞中提取GSH的工艺研究,设计了合理的分离流程,研究结果表明GSH的总萃取率可达80％以上．     

双水相电泳分离氨基酸

双水相电泳是将电泳与双水相分离方法相耦合的一种新型分离技术。双水相体系因两相均富含水且界面张力低,具有良好的生物相溶性,因而在分离蛋白质等在有机溶剂中易失活和变性的有生物活性物质具有很大的优势。本文主要考察了在间歇操作过程中,双水相电泳时间、电场强度、料液初始浓度和传质面积等因素对聚乙二醇（ＰＥＧ）－葡聚糖（ＤＥＸ）－水体系中氨基酸（苯丙氨酸和这酸）的上相浓度、萃取率、和总传质量的影响,初步探讨了     

基于可压缩气辅的聚合物挤出成型非等温黏弹数值分析

基于气体具有可压缩性特点提出了可压缩气辅挤出概念,为探明气辅挤出中可压缩气体对聚合物熔体挤出成型的影响建立了熔体和压缩气体两相流模型,利用有限元计算方法对可压缩气辅的聚合物挤出成型进行了非等温黏弹数值模拟,并对比分析了传统无气辅和可压缩气辅挤出的物理场分布情况。研究表明,气辅挤出中的气体密度分布不是恒定值,而是随压力和温度空间分布变化,并且在引入气体层以及气体可压缩性后,可压缩气辅挤出与传统无气辅挤出方法相比在各物理场分布上存在较大的差异,当可压缩气体入口压力逐渐增大时熔体挤出收缩程度明显增大。该结果与实验一致,这些是传统无气辅挤出模拟无法体现出来的。     

［Bmim］BF4-H2O-Na2CO3离子液体双水相体系液液相平衡数据的测定与关联

用浊点法测定了四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑—水—碳酸钠体系在常压30℃下的溶解度曲线及密度曲线，并用经验方程进行了关联。用浊点—密度法测定了该体系的液液相平衡数据，绘制了相应的相图。结果表明：双水相体系一相以离子液体和水为主，碳酸钠的含量很少，另一相以碳酸钠和水为主，离子液体的含量很少。该体系既可作为萃取分离体系，也可作为从水溶液中分离回收离子液体的初步体系。用Othmer-Tobias+Bancroft经验方程对相平衡数据进行关联，最大相对误差为94.99%， 最大平均相对误差为15.69%，关联结果不理想。提出用Othmer-Tobias经验方程+溶解度方程对其进行关联，最大相对误差为4.52%，最大平均相对误差为2.77%，关联精度较高，该方法可适用于有一组分含量较低的体系的液液相平衡的关联计算。     

双水相萃取法分离纯化黄酮类化合物的研究进展

综述双水相体系的组成、特点和双水相萃取法分离纯化黄酮类化合物的研究进展。双水相萃取是一项利用不复杂的设备,并在温和条件下进行简单的操作就可获得较高收率和有效成分的新型分离技术,该技术在黄酮类化合物的分离分析中取得了较好的效果,有望成为一种新型的黄酮类化合物的分离纯化方法。     

循环流化床中颗粒聚团特性的模拟

考虑到循环流化床中分散颗粒和颗粒聚团同时存在的多尺度结构,确定了密相和稀相加速度与计算网格局部参数之间的关系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,基于双变量极值理论,构建了考虑颗粒团聚效应的多尺度气固相间曳力模型。结合双流体模型,对循环流化床内气固流动特性以及颗粒聚团特性进行了模拟研究。通过与实验值比较,考虑颗粒聚团影响的计算模型可以更好地贴近实验结果,颗粒聚团直径随颗粒浓度增大呈现先增大后减小的分布趋势,气体和颗粒的加速度在模拟中与重力加速度同处一个数量级,求解过程中不能被忽略。     

边界条件和结构尺寸对提升管内气固流动特性的影响

引言提升管是非均匀结构显著的气固两相流动体系,其流动特性主要表现为轴向空隙率的S形分布、径向的"环-核"结构以及团聚物的生成和破碎等。近年来,有关数值计算方法的研究增多,其中双流体模型的应用最为广泛,颗粒动理学则是目前封闭控制方程的最合理有效的方法。     

Measurment of gas-liquid two-phase slug flow with a Venturi meter based on blind source separation☆

We propose a novel flow measurement method for gas–liquid two-phase slug flow by using the blind source sep-aration technique. The flow measurement model is established based on the fluctuation characteristics of differ-ential pressure (DP) signals measured from a Venturi meter. It is demonstrated that DP signals of two-phase flow are a linear mixture of DP signals of single phase fluids. The measurement model is a combination of throttle re-lationship and blind source separation model. In addition, we estimate the mixture matrix using the independent component analysis (ICA) technique. The mixture matrix could be described using the variances of two DP sig-nals acquired from two Venturi meters. The validity of the proposed model was tested in the gas–liquid two-phase flow loop facility. Experimental results showed that for most slug flow the relative error is within 10%. We also find that the mixture matrix is beneficial to investigate the flow mechanism of gas–liquid two-phase flow.     

多尺度熵在棒束通道气液两相流压差信号分析中的应用

棒束通道气液两相流的压差信号是非线性的,多尺度熵法在分析非线性信号方面效果较好。运用多尺度熵对压差信号进行分析,在7×7棒束通道的气液两相流实验台上采集压差信号,针对104种流动条件4种流型的压差时间序列分析其多尺度熵特征。研究发现：小尺度（前8个）下的多尺度熵率可以准确区分棒束通道4种流型;大尺度下的样本熵变化趋势可以揭示4种流型的动力学特性。     

新型绿色分离体系——离子液体双水相及其在生物分离中的应用

近几年来,离子液体双水相作为一种新型绿色分离体系越来越受到关注。离子液体双水相具有粘度低、分相快、不易乳化以及对生物物质萃取率高等优点。介绍了离子液体双水相的机理以及它在生物分离中的一些应用。