微液滴制备及其在静止流体中的浮升过程

采用自制微流控共轴流装置制备出粒径dp=100~600 mm且球形度良好的单一粒径微液滴,对大豆油及甲苯两种微液滴在静止流体中的浮升过程和速度进行了研究. 结果表明,生成液滴的粒径dp主要由微通道锥口直径Dt (40~450 mm)确定;既定锥口直径下,液滴粒径随连续相流量Qc增大稳定减小,而增加分散相流量只改变液滴产生频率(生成颗粒群),对粒径影响微弱,建立了dp与Qc的关联式,关联度大于0.99. 由于表面张力作用导致微液滴具有弹性球行为,微液滴的液滴阻力系数CD与雷诺数Re的关系与刚性颗粒一致;因尾流效应颗粒群中各颗粒在交替追赶中前行,导致颗粒群浮升速度高于单颗粒,颗粒群比单颗粒浮升速度高约30%.     

微通道内非牛顿流体中液滴生成机理研究进展

微流体技术良好的可控性为制备均一可控的微液滴提供了新的途径,而非牛顿流体因广泛的应用而受到关注。综述了近年来剪切变稀和黏弹性两类典型非牛顿流体中液滴生成机理的研究进展。围绕流动聚焦型和T型微通道两种典型微通道构型,介绍了非牛顿流体分别作为分散相和连续相时液滴生成过程的界面演化动力学,并与牛顿流体液滴生成过程进行了对比,分析了剪切变稀特性和弹性对主液滴和卫星液滴生成的影响。展望了非牛顿流体液滴生成过程待解决的关键科学问题,为进一步的模拟和实验研究提供了借鉴和参考。     

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。     

T形微通道内气泡（液滴）生成机理的研究进展

综述了T形微通道内气泡（液滴）的生成机理。讨论了挤压机制、剪切机制以及挤压-剪切共同作用机制下气泡（液滴）生成控制因素,表明挤压机制发生于受限气泡（液滴）的生成,其生成尺寸主要由气液流量控制;剪切机制发生于未受限气泡（液滴）生成,主要由毛细数控制;挤压和剪切共同作用机制发生于挤压-滴状转变区内气泡（液滴）的生成,并由毛细数和流量比共同控制。同时介绍了3种不同机制的物理模型以及黏度比对气泡（液滴）生成的影响。     

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。     

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。     

喷雾冷冻法单个液滴冻结过程模拟

喷雾冷冻液滴的冻结过程决定着干燥产品的微结构。本文以单个雾化液滴为研究对象,利用数值模拟的方法研究了液滴大小、气体流速和环境温度3个参数对其冻结过程的影响。结果发现,液滴越大冻结时所需的形核时间和完全固化时间越长,而且冻结过程随着气体流速的增大和环境温度的降低而缩短。通过方差分析发现,液滴大小较气体流速和环境温度对液滴完全固化时间的影响有较显著差异。液滴冷冻过程中,其质量损失率随着液滴大小的增大而略有减小,随着气体流速的增加及环境温度的降低而减小,其中环境温度对液滴质量损失率的影响最大。     

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。     

湿天然气管道内液滴夹带机理及模型研究

低含液量气液两相流具有独特的流动特性,尤其是气相流速较大时,表现为气相夹带液滴。本文介绍了湿天然气管道内气液两相流液滴夹带产生的机理,并对现有液滴夹带率计算模型进行了分析研究。     

质子交换膜燃料电池内扩散层/流道表面处液态水滴的运动特征

针对燃料电池流场内任意选取的特征单元建立二维模型,分析在剪切流作用下附着在扩散层（GDL）/流道（GFC）表面液滴的运动特征,认为液滴运动时迟滞角（液滴运动过程中前进角与后退角间的差值）与液滴高度、气体流速存在着一定关系;而与所选取的特征单元长度无关。模型还有效耦合了实验总结的液滴开始运动的条件关系式,真实反映了液滴开始运动、不断加速追赶及聚并的运动趋势。结果表明：选取矮流道,增大气体流速,采用疏水的GDL增大液滴的不稳定性,同时增加流道表面的亲水性,有利于液滴获得较大加速度,并以拐角流的形式快速从电池内排除。     

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。     

新型气液逆流撞击洗涤喷嘴的优化

针对一种新型气液逆流撞击式洗涤喷嘴,通过冷模实验,采用溶氧法考察了不同结构喷嘴的气液两相传质性能。结合解析率及流型变化,考察了喷嘴出口直径、切向进液口倾角、旋流室收敛段锥角、切向进液口直径、喷口长度5个参数对传质的影响,确定了优选喷嘴的结构尺寸,分析了该优选喷嘴在不同操作条件下(气速、表观液气比和轴切比)的传质效果。结果表明,优选喷嘴在轴切比为0.4~0.6且气速较高时传质效果较好。     

喷动床脱硫压力旋流喷嘴的雾化性能

雾化喷嘴是半干式喷动床的关键部件之一,其雾化性能直接影响脱硫效率。为了得到喷嘴雾化的详细信息,用激光粒度测试仪对空心锥压力旋流式喷嘴和实心锥压力旋流式喷嘴雾化性能进行了实验研究,得出不同类型、不同孔径的喷嘴的流量,索太尔直径DSM,雾滴粒径分布DSP等与压力的关系。实验表明:流量与压力平方根成正比关系;DSM与压力为e函数的单调减函数关系;实心锥喷嘴出口直径越大,雾滴粒径平均分布(■)越小,粒径分布范围越窄,雾化性能越好,空心锥喷嘴则变化不明显;压力增大,实心锥喷嘴的DSP变大,雾滴粒径在压力低时分布比较均匀。     

Numerical simulation of flow focusing pattern and morphological changes in two-phase flow inside nozzle

The flow focusing nozzle is a new type of nozzle that performs effective atomization of the discrete phase by means of high-speed motion of the continuous phase.The flow pattern and its morphological changes have a significant effect on the atomization, but the influence of different parameters on the morphological change of the flow pattern remains unclear.The flow focusing pattern and morphological changes in the two-phase flow inside the nozzle were simulated numerically, based on the volume of fluid method.The results demonstrate that the ratio of the nozzle-to-capillary distance and capillary diameter, the gas–liquid velocity ratio, and capillary diameter have significant effects on the flow pattern.When the ratio of the nozzle-to-capillary distance H and capillary diameter D increases, or the capillary diameter D increases, the flow pattern tends to transform into a laminar form; however, when the gas–liquid velocity ratio V increases, the flow pattern tends to transform into a turbulence form.Furthermore, we define the cone-shaped expansion rate, cone-shaped focusing rate,and cone angle in order to study the morphological changes in the cone shape inside the nozzle.The results indicate that the morphological change of the cone shape and flow pattern transformation is interrelated.When the cone shape tends to be unstable, the flow pattern changes towards flow blurring, whereas, a stable cone indicates that the flow tends to exhibit a droplet pattern.     

正弦型微通道内液-液两相流型及流动特性实验研究

采用实验的方法对不混溶的液液两相流体在不同入口结构下的正弦微通道(直通道正弦、波峰正弦和波中正弦)内液滴的流动特性进行了分析。硅油作为离散相,含有0.5% SDS的蒸馏水作为连续相,观测到弹状流、滴状流和射状流。分析了两相流动参数及不同的微通道入口结构对流型和液滴长度的影响。流型受微通道入口结构影响较大,波峰正弦微通道能够生成最大范围的稳定的流型。液滴长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大,随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低。微通道入口结构对液滴长度有影响,直通道的正弦微通道内液滴长度最短,更有利于液滴的形成。三种通道生成的液滴中,最大的液滴尺寸是最小的液滴尺寸的1.15~1.39倍,但正弦流动段对液滴速度几乎没有影响。     

受限空间内空心锥形喷雾-横流掺混规律

在自建的冷态横流-旋流喷雾两相掺混系统实验台上,采用PIV测量了掺混通道内气液两相掺混过程中液滴群的运动特性,获得了掺混流场中不同位置的液滴分布图像与流场结构特性。实验段结构为方腔（横截面尺寸为95 mm×95 mm）,喷嘴采用空心锥形雾化喷嘴。对影响掺混效果的主要参数（横流速度、喷嘴雾化压力、喷嘴雾化粒径）进行了详细研究,绘出了最佳掺混效果下各参数关系曲线。掺混过程主要受不同尺度的旋涡结构影响,液滴多富集于旋涡边缘,稳定的大尺度涡不利于掺混。提高掺混效果的途径即是避免流场中出现稳定的大尺度旋涡结构,采用喷嘴前倾布置、增加喷嘴个数、确定合适的横流速度均是提高掺混效果的有效途径。分析方法与研究结果为工程实际应用中掺混室结构的设计及掺混性能的改进提供了依据和参考。     

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。     

A novel microfluidic method to simultaneously measure droplet size and interfacial tension without visualization

Droplet size and interfacial tension are key parameters related to two-phase flow. However, current methods for measuring these parameters are usually based on visualization and are therefore not applicable for invisible two-phase flow systems. Moreover, real-time determination of interfacial tension is difficult because conventional methods cannot be employed in the flow field. This study presents a novel method for simultaneously measuring the droplet size and real-time interfacial tension in a two-phase flow system. A T-shaped microdevice was designed and integrated with the two-phase flow equipment. The pressure variation as the droplets flowed through the microdevice was used as a probe to detect the two key parameters, that is, visualization is not required. Monodispersed and multidispersed droplet flows in different equipment were used to verify the method. Both the droplet size distribution and real-time interfacial tension can be determined using the developed approach.     

HD低温蒸发系统中填料蒸发器传质传热的分析

通过研究系统中填料蒸发器的蒸发传质传热过程以及两相流动特性，采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）中离散相与连续相耦合的方法来模拟规整填料内部通道的蒸发传质传热过程，实现了填料蒸发器中两相传质传热的过程以及液滴流动的可视化，为研究气液两相在规整填料内的流动提供了一种模拟方法。通过与实验结果的比较，最终选用RNG k-ε湍流模型来分析规整填料内部气液两相传质传热以及流动情况。数值模拟研究了规整填料板间距对填料内部气液两相传质传热以及液滴运动影响，发现随着板间距的增大，填料内部压力降逐渐降低，出口空气中水蒸气的含量不断减小，液滴蒸发速率降低，液滴进出口质量差减小，气相出口温度逐渐降低，蒸发传质传热效率降低。随着气速的增大，出口空气中水蒸气的含量不断减小，液滴蒸发速率增加，气相出口温度降低，气液两相传质传热效率降低。