三维孔喉结构微通道内液滴的破裂行为研究

利用高速摄像仪研究了三维孔喉结构微通道内液滴的破裂行为。采用不同黏度的甘油-水溶液作为分散相,含4%（质量）表面活性剂（Span 20）的矿物油作为连续相。液滴通过孔喉结构后,观察到了三种流型：球形破裂、非球形破裂和不破裂。除极低连续相毛细数的情形外,分散相黏度和两相流量的增加不利于液滴破裂,液滴的破裂位置均接近于喉道出口。研究了液滴的球形破裂,结果表明,球形破裂中子液滴平均尺寸随分散相黏度和连续相流量的增加而降低,且与两相总毛细数呈幂律关系,模型预测值与实验结果吻合良好。     

湍流分散体系中液滴破碎频率模型的黏性修正

在分析研究分散相黏度对液滴变形和破碎影响的基础上,提出了一个改进的液滴破碎频率模型并拓展了液滴破碎判据标准.同时通过Monte Carlo模拟的随机方法,得到了湍流搅拌槽中液-液分散体系的液滴直径分布和Sauter平均直径d₃₂.通过与文献中关于d₃₂的实验结果比较发现,该模型预测的Sauter平均直径更接近实验值,对于黏性分散相改进的液滴破碎频率模型要优于Coulaloglou和Tavlarides提出的模型.计算结果表明对于黏性分散相液滴,其黏度限制了液滴变形,使得液滴破碎频率被大大减少, 液滴直径明显增加,液滴直径分布向右偏移.     

同轴微通道内管结构对液滴生成的影响规律研究

研究了同轴微通道内水-硅油体系的液滴生成过程。在不同的连续毛细数Ca_c和分散相Weber数We_d下,观察到滴出流和喷射流两种不同的流型。实验考察了两相流量、黏度和内管结构对液滴尺寸和液滴生成频率的影响。结果表明液滴尺寸随着分散相流量增加而增大,而随着连续相流量和黏度的增加而降低。此外,随着We_d的增加,流型会从滴出流过渡到喷射流,而更大尺寸的内管会更早过渡到喷射流,从而得到更大的液滴尺寸。对于液滴生成频率,其随Ca_c和We_d的增加均呈现先快速增加后变缓的趋势。当内管通道尺寸基本相同时,不同结构的内管通道在固定Ca_c时其液滴生成频率相差不大,且随着通道尺寸的减小,液滴生成频率逐渐增加。基于实验结果,建立了液滴尺寸预测模型,预测值与实验值吻合较好。     

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。     

三维孔喉结构微通道内液滴的破裂行为研究

利用高速摄像仪研究了三维孔喉结构微通道内液滴的破裂行为。采用不同黏度的甘油-水溶液作为分散相,含4%(质量)表面活性剂(Span 20)的矿物油作为连续相。液滴通过孔喉结构后,观察到了三种流型:球形破裂、非球形破裂和不破裂。除极低连续相毛细数的情形外,分散相黏度和两相流量的增加不利于液滴破裂,液滴的破裂位置均接近于喉道出口。研究了液滴的球形破裂,结果表明,球形破裂中子液滴平均尺寸随分散相黏度和连续相流量的增加而降低,且与两相总毛细数呈幂律关系,模型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。     

微通道内浆料体系中的气泡生成特性及尺寸预测

利用高速摄像仪对T型微通道内浆料体系中的气泡生成频率和气泡尺寸进行了研究。以氮气作为分散相,含0.35%（质量分数）表面活性剂（SDS）不同浓度玻璃珠的甘油-水溶液为连续相。实验考察了弹状流下气液两相流量、颗粒浓度以及浆料表观黏度对气泡生成频率及气泡尺寸的影响。结果表明：在弹状流下,当分散相流量一定时,随着连续相流量的增大,气泡的生成频率增大而气泡尺寸减小。当连续相流量一定时,随着分散相流量的增大,气泡生成频率和气泡尺寸均增大。随着颗粒浓度的增大,浆料的表面张力减小,表观黏度增大,气泡生成频率增大而气泡尺寸减小。提出了T型微通道内浆料体系中生成气泡尺寸的预测模型,模型具有良好的预测精度。     

湍流分散系统中液滴尺寸的模拟与研究

在考虑分散相黏度对液滴破碎频率影响的基础上,进一步研究了分散相黏度对液滴聚并的影响.在液膜排液时间的计算式中,引入了分散相黏度,建立了新的液滴聚并频率的表达式.通过数值求解群体平衡方程,得出搅拌槽内液-液湍流分散系统的Sauter平均直径.与实验数据比较发现,改进模型可以较好地预测分散系统的Sauter平均直径,其结果优于Coulaloglou 和 Tavlarides模型.计算结果表明分散相黏度对液滴平均直径有着双重影响,抑制破碎,导致液滴直径增大;抑制聚并,从而导致液滴直径减小.     

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。     

十字交叉微通道内微液滴生成过程的数值模拟

采用VOF模型对十字交叉微通道内微液滴的生成进行三维数值模拟,获得了拉伸挤压、滴状剪切、单分散射流等单分散微液滴的生成机制以及紊乱射流、节状形变流、管状流和滑移流等两相流型,模拟与实验结果相吻合验证了模拟的有效性。液液两相流型主要受两相流速、两相界面张力以及连续相黏度的影响,发现随着连续相的流量增大,微液滴的生成尺寸减小,生成频率增大;而离散相流量的影响则相反。两相表面张力与连续相黏度分别在低连续相Ca数和高连续相Ca数条件下分别起主导作用。在低连续相Ca数(U_d<0.03 m·s^-1)的拉伸挤压和滴状剪切流流型下,微液滴生成尺寸随着表面张力系数的减小而减小,在射流条件下反而增大,微液滴的生成频率变化则相反。在高连续相Ca数(U_d>0.03 m·s^-1)下,微液滴的生成尺寸随着连续相黏度的增大而减小,微液滴的生成频率变化则相反。另外,壁面接触角在拉伸挤压流型下对微液滴生成无太大影响,但在滴状剪切和单分散射流流型下,接触角减小会导致微液滴无法稳定生成。     

液-液两相流体黏度对微通道内流型的影响

为了研究流体黏度对液-液两相流流型的影响，采用实验和数值模拟相结合的方法,研究十字型微通道内液-液两相流流型变化。结果表明，当两相流体系中存在高黏度流体时，会加剧两相界面的不稳定性，两相流流型极易向不规则流和环状流转换，且当连续相流体黏度较高时，液滴的形状更易为子弹流。通过引入毛细数和韦伯数，提出两相流流型转换关系。当连续相流体和分散相流体分别由水平通道和垂直通道流入时，通过合理调节两相流体流速，可在微通道下游实现大小液滴的融合。这一方式将为高黏度流体流动操控提供新思路，通过控制两相流速，可以实现不依赖于复杂微通道结构的液滴被动融合。     

闭式涡轮搅拌萃取塔液滴直径的估算

本文利用均匀各向同性湍流特性分析连续相湍流脉动液滴大小的影响，得出搅拌强度和液滴平均直径之间的关系，根据所使用的三种塔几何结构所得的实验数据检验。理论分析结果与实验所得结果较好地相符。本文也讨论了分散相存留分数对平均液滴直径的影响。     

不对称T型微通道内液滴的无阻塞破裂动力学

利用高速摄像机研究了不对称T型微通道内液滴的无阻塞破裂过程。以甘油-水溶液为分散相,含4%（质量分数）表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。液滴的无阻塞破裂过程可分为三个阶段：进入阶段、形变阶段和破裂阶段。其中破裂阶段又可分为快速破裂阶段和细丝破裂阶段两个子阶段。考察了表观流速、无量纲液滴长度和两相黏度比对破裂阶段的影响。结果表明：快速破裂阶段是一个自相似过程,无量纲颈部最小宽度与无量纲剩余时间呈幂律关系,幂律指数约为1.35。细丝破裂阶段无量纲最小颈部宽度与无量纲剩余时间呈线性关系。斜率随着表观速度和无量纲液滴长度的增大而增大,随两相黏度比的增大而减小。     

膜乳化过程中流体流动对液滴受力和乳化效果的影响

分析了膜乳化过程中流体流动状况和分散相液滴的受力情况,以及二者的密切关系.在一定条件下计算了液滴所受的力,结果表明,表面张力引起的力、液滴内外静压差产生的力、平行于膜表面的流动曳力和运动浮力是主要的力;在此基础上,探讨了液滴的形成过程.实验考察了壁面剪应力和膜两侧压差与液滴平均直径及分散相通量的关系,结合受力计算讨论了分散相和连续相流动状况对膜乳化效果的影响.     

梳状并行微通道内液液分布规律研究

为了实现工业化应用,微反应器的并行放大已成为最有效的放大策略之一。在微反应器的放大过程中,相分布规律的研究是非常重要的。采用高速摄像仪研究了梳状并行微反应器的支通道间距和流量对液液两相分布的影响。当连续相和分散相流量Q_c及Q_d都较小时,不同支通道间距的微反应器内前方支通道的分散相含率较低,后方支通道的分散相含率较高,同时液滴长度的均匀性较差。随着Q_c与Q_d的增大,三种不同构型微反应器内分散相的体积相含率的数值分布逐渐趋于集中。在较高的两相流量下,支通道内液滴长度的均匀性显著提高,其变异系数小于0.15。在实验范围内,支通道间距S = 0.6 mm的微反应器中液滴尺寸均匀分布的操作范围最大。     

液滴分布对稠油乳状液黏度影响的实验研究

采用聚焦光束反射测量仪对辽河油田稠油乳状液微粒进行"动态"监测,考察了含水率、搅拌转速和温度对稠油乳状液液滴粒径大小影响,定性分析了微观液滴分布对乳状液粘度的影响机理。结果表明,随着含水率的增大,乳状液体系中粒径显著增大,小液滴数量增大,体系黏度增大,当乳状液发生转相后,黏度大幅度降低,微观表现为小液滴数量增大,乳状液液滴平均直径增大;随着搅拌转速的增大,乳状液体系中粒径显著减小,小液滴数量增大,使得分散相更均匀的分散在连续相中,稠油乳状液黏度呈现下降的趋势;随着温度的升高,乳状液体系中粒径显著增大,小液滴数量增大,稠油乳状液液滴直径的增大,增大了体系液滴直径分布,导致乳状液体系黏度的降低。     

混合澄清槽混合与澄清特性的规律研究

混合澄清槽是最早也是目前依然被广泛使用的萃取设备,针对混合澄清槽存在的局限性对其混合与澄清特性进行规律性研究。研究过程采用SOPAT液滴测量平台测量液滴尺寸,针对不同体系混合室、澄清室液滴尺寸分布、平均液滴粒径、持液量、分散带尺寸、夹带量之间的关系探讨达到研究目的。实验结果表明,在混合过程中,大部分体系的等比表面积平均直径D ₃₂与转速呈指数关系,与持液量的关系符合Calderbank模型。而在澄清过程中,澄清效果主要受到液滴尺寸、密度差、黏度、质量传递、温度、界面张力的影响,其中界面张力的增加会增强分相效果。通过对液滴测量影响因素进行系统的研究,为具体的操作下优化或改进混合澄清槽的结构打下基础。     

搅拌槽内的液液湍流分散(Ⅰ)——分散特性的影响因素

采用取样稳定显微照相分析法,就稳态液液分散体系,研究了搅拌转速、分散剂浓度、分散相体积分率和分散相粘度对液滴大小及其分布的影响,并用界面张力和界面粘性讨论液-液分散行为,为阐明液-液分散机理提供实验依据。     

脉冲筛板萃取塔CFD-PBM模型研究

脉冲筛板萃取塔是核工业等领域中最常用的萃取设备之一，为深入了解脉冲筛板萃取塔中两相流行为规律，使用CFD-PBM模型对脉冲筛板萃取塔中由有机相(30%TBP-正十二烷)、水相(HNO₃水溶液)组成的体系进行两相流过程模拟分析，模拟结果与实验数据吻合较好，分散相存留分数和Sauter平均液滴直径的相对偏差仅为8.28%和5.54%；随脉冲速度增加，Sauter平均液滴直径减小，液滴直径分布更均匀，分散相存留分数增加，特性速度减小；两相表观速度对液滴直径影响较小，分散相表观流速增加有利于提高分散相存留分数，而连续相表观流速影响不大；发生液泛时分散相液泛表观速度随连续相液泛表观速度增大而减小，随脉冲速度增加液泛通量先增后减，存在极值。     

直接接触式环流换热器传热研究

首次开发了直接接触式环流换热器 ( DCRE)。分散相液滴不断吸热气化 ,导致气升管轴向上连续相和分散相的温度变化 ,从而产生不同的传热推动力 ,形成体积传热系数分布。在实验基础上 ,重点讨论工质的进料量、连续相和分散相间的传热温差对体积传热系数的影响 ,并从单个液滴气化传热的机理出发 ,推导出体积传热系数分布的表达式及平均体积传热系数的准数关联式。