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。     

恒壁温下矩形微通道热沉换热特性分析

建立了恒壁温条件下矩形硅微通道热沉的三维模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明:沿流动方向,热沉流体域的温度梯度大于固体域的温度梯度,且最大的温度梯度出现在入口段;除恒温热沉顶面外,通道顶面的温度最大,通道底面和热沉底面的温度近似趋于定值。通道内的换热研究发现,通道侧壁面的Nu数最大,顶面与底面相差很小,角落处的Nu数趋近于0。     

基于流型的矩形小通道内冷凝传热模型研究

为研究蒸气在矩形小通道内的冷凝传热特性,建立一种基于两相流型的矩形小通道内冷凝传热模型.新模型较以往引入较少的经验参数以降低误差,可较为准确的预测流型处于环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流及分层流时的传热特性.新模型适用于蒸气质量流速35～55 kg·(m2·s)-1,蒸气干度0.1～0.9,饱和压力0.1～0....     

微通道结构数值模拟及实验性能评价

Fluent软件的数值模拟结果显示伞形微通道结构比U形直线形微通道结构具有更加高效的混合效率,但该结构也存在流动死区,结合优化方向提出一种压降更小、混合效率较优更适用于液-液非均相反应的菱形微通道结构。同时,本文利用前述3种不同微通道结构反应器及常规反应器开展丙烯酸十四酯的合成评价对比实验,红外光谱及核磁谱图对反应产物的分析表征均证明了丙烯酸十四酯的生成。常规反应器和微反应器在相似工艺条件下,丙烯酸十四酯的收率仅为82%,停留时间更是长达300min,而微反应器中收率均达到90%以上,停留时间不超过3.5min,且菱形微通道结构反应器比U形直线形和伞形微通道结构反应器所得丙烯酸十四酯的收率都大,达到97%,说明菱形微通道结构更加有利于物料间的充分混合反应,这与菱形微通道结构数值模拟显示的结果是一致的,从而验证了数值模拟结果的可靠性。     

微通道冷凝研究的进展与展望

微通道中的冷凝在微热管及微型燃料电池等器件中有着广泛的应用。本文综述了当前国内外微通道冷凝研究的现状,展望了该领域的未来研究方向。大量研究表明,控制微通道中冷凝与两相流动的主要作用力不是重力或浮力,而是表面张力。最新实验结果发现,随着通道直径的减小,微通道中主要的冷凝流型是间断的喷射流/弹状流/泡状流,而不是传统大直径通道中出现的由重力作用而导致的分层环状流。因此,未考虑表面张力的大尺度冷凝模型已不能完整描述微通道内的流动冷凝过程。对于间断流型,基于实验数据的半理论模型或经验关联式可能更为实用有效。润湿性和表面粗糙度等通道表面特性在微通道流动冷凝中有着重要的影响,这些因素的优化将会强化微通道中的冷凝换热。     

不同三维微通道中被动混合特性的研究

Based on the transport phenomena theory, the passive mixing of water and ethanol in different three-dimensional microchannels is simulated numerically. The average variance of water volume fraction is used to index the mixing efficiency in the cases with different Reynolds number and different fabricated mixers. The results show that the efficiency of liquid mixing is progressively dependent on the convective transport as the Reynolds number increases. The efficiency of serpentine microchannel decreases with the increasing Reynolds number in the laminar regime. Altering the aspect ratio of channel inlet section has no significant effect on the mixing efficiency. Increasing the area of channel inlet section will cause the decrease of the mixing efficiency. The mixing in serpentine channels is the most efficient among three different mixers because of the existence of second flow introduced by its special structure.     

矩形微通道中PS熔体的流变特性

使用双料筒毛细管流变仪测试PS熔体在温度为220、240、260℃和剪切速率为500-2万s-1的条件下流经截面为320μm×300μm、500μm×400μm、1000μm×785μm,长径比不同的矩形口模时的黏度.实验结果表明:在同一温度和剪切速率条件下,熔体黏度随口模截面尺寸减小而减小;随口模长径比增大而增大.将...     

滑移壁面蛇形微通道两相流数值模拟

基于Fluent平台,采用CLSVOF方法对滑移壁面蛇形微通道气液两相流动进行了数值计算。计算选用的方法与理论结果具有较好的一致性,同时可以表明疏水壁面会产生滑移现象,且在高度较小的微通道内滑移效果更显著,从而减小通道内流体流动阻力,实现减阻;不同壁面性质通道内流体流动情况的计算结果表明,滑移壁面对截面速度分布趋势几乎没有影响,但上下壁面疏水性不同会影响通道截面最大速度分布。此外接触角及相对粗糙度对滑移特性影响较大,合理设计壁面润湿性及微粗糙元结构可以最大限度发挥滑移现象引起的减阻效果;与无滑移壁面相比,滑移壁面微通道内传热效果更好,且随滑移速度的增大,通道换热增强。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

矩形截面微模具通道中熔体的黏性耗散效应

基于对微注塑成型过程中聚合物熔体充模流动时黏性耗散效应的理论分析，以聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）两种聚合物材料，在不同工艺参数作用下流经不同当量直径和长径比矩形截面微模具通道时，由黏性耗散效应引起的微通道中熔体温度变化进行了试验测量和数值模拟。结果显示，微通道出口熔体温度的试验测量和数值模拟值与理论计算值非常吻合，且其平均误差小于1℃。同时研究发现，增大微模具通道当量直径和长径比时，熔体流动时的黏性耗散热量增多，通道出口熔体温度升高；而当微通道几何尺寸一定时，其黏性耗散热量随注射速度和注射压力的升高而增加，随熔体温度和模具温度的升高而降低；但同样试验条件下，对剪切作用敏感性强的PP材料的黏性耗散热量明显高于对剪切敏感性弱的HDPE材料。     

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。     

矩形槽强化膜状冷凝换热数值分析与实验研究

研究了饱和蒸汽在垂直矩形槽表面的层流膜状冷凝换热,对物理模型进行了适当的简化,建立了冷凝液的流体流动方程,并与二维导热方程耦合,用数值方法解方程,通过迭代,得到了传热量与坐标z的关系。为了验证数值分析,建立了饱和蒸汽在矩形槽表面冷凝的实验模型和实验装置,测量了在不同的温差下的热通量,并与计算热通量做了对比。结果表明,热通量数值分析值与实验值吻合较好,最大偏差不超过10%,说明关于矩形槽强化冷凝换热的数值分析具有可行性,可用于矩形槽的参数设计和换热计算。     

竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性

为了研究竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性,建立了窄矩形通道内环状流的数学物理模型,并进行了实验验证。通过数值求解环状流的数学物理模型得到了环状流区域的压降梯度、沸腾传热系数和液膜内的速度分布。结果表明窄矩形通道内的环状流模型能够很好地预测环状流区域的压降梯度和沸腾传热系数,而且环状流液膜内速度在法向的分布是非线性的,在层流边界层区速度梯度较大。热通量和窄矩形通道的尺寸对液膜的流速有很大影响,随热通量的增加和窄矩形通道尺寸的减小液膜的流速逐渐增加,然而质量流速对液膜流速的影响较小,而且随质量流速的增加液膜的速度逐渐减小。     

Visualization study of flow condensation in hydrophobic microchannels

A visualization study on flow condensation in hydrophobic rectangular silicon microchannels with hydraulic diameter of approximately 150 μm is conducted. Thin Au film with thickness of 200 nm is sputtered on channel surfaces to create a hydrophobic surface with an equilibrium contact angle of approximately 96°. In addition to traditional droplet flow, droplet‐annular compound flow, droplet‐injection compound flow, and droplet‐bubble/slug compound flow are also observed. The results indicate that injection location is postponed, and injection frequency increases with increasing inlet vapor Reynolds number and condensate Weber number. An empirical correlation of the injection location and injection frequency are presented and discussed. In particular, for a larger inlet vapor Reynolds number, the injection flow is closer to the channel outlet and the condensation heat transfer is enhanced. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 1182–1192, 2014     

梯形微通道内乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验

利用高速摄像系统对梯形硅基微通道进行乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验。梯形微通道结构为梯形,水力学直径165.87 mm,通道长度50 mm。实验中混合蒸气乙醇质量分数范围为2%～60%。实验发现入口蒸气乙醇浓度对通道内流型有重要影响。沿着冷凝方向,发现环状流、环状条纹流、翻滚流、喷射流/喷射滴状流及气泡流。不同蒸气入口乙醇质量分数有不同的流型分布,低乙醇浓度的蒸气冷凝环状条纹流及喷射流区域出现伪滴状凝结形式,高乙醇浓度的蒸气冷凝出现翻滚流流型。实验以蒸气质量通量及蒸气干度为坐标对不同入口浓度蒸气冷凝建立了两相流型图,并对喷射流发生干度建立了流型转变预测式。     

Fabrication and application of flexible rectangular microtubes

ABSTRACT

Rectangular microchannels are useful in biological and chemical research. However, high-efficient method for producing rectangular microchannels has not been established. Here, flexible rectangular microtubes are produced via a micro-extrusion method. The size of the rectangular channels is controlled by drawing speed, flow rates of the polymer melt and air. A theoretical model is built to predict the size of the channels. To show the capability of the products, they are used as disposable micro-emulsifiers and used for protecting and observing volatile samples. More applications are to be developed for the novel tool which will facilitate research in many fields.