十字交叉型微通道内液滴形成的数值模拟研究

基于Fluent软件的流体体积分数（Fluid Volume Fraction,VOF）模型,针对十字交叉型微通道内液滴的形成过程开展了三维数值模拟研究,分别研究了连续相黏度、分散相黏度、两相界面张力系数、壁面接触角对液滴形成的影响,为实际应用提供参考。研究表明随着连续相流速的增加,液滴生成直径减少,生成频率增大;增加连续相黏度时,液滴生成直径变小,生成频率的变化则相反;当分散相黏度超过连续相黏度时,出现射流现象而不能生成液滴;液滴生成直径随两相界面张力系数的增加而增大,生成频率降低;增大壁面接触角有利于液滴的产生,且两相流速为0.01 m/s和0.02 m/s时,接触角应分别取到150°和120°才能正常生成液滴。     

微通道入口角度对微液滴生成过程的影响

为研究不同流体物性参数条件下微通道入口角度对微液滴生成过程的影响,采用流体体积(volume of fluid,VOF)法对错流微通道内液滴生成过程进行了三维数值模拟,对液滴生成过程中两相压差及液滴生成周期和尺寸进行了研究.结果表明:拉伸挤压流型下,微液滴尺寸随着通道入口角度增大呈现先减小后增大趋势.表面张力较大或连续相黏度较小时,入口角度为90°的微通道有利于生成较短液滴;表面张力较小或连续相黏度较大时,入口角度为120°的微通道有利于生成较短液滴.对于固定的入口角度,微液滴尺寸随着表面张力系数增大而增大,随连续相黏度增大而减小.当流体物性参数不同时,生成最短液滴的通道结构不同.综合考虑通道入口角度、表面张力系数和连续相黏度,提出了预测拉伸挤压流型下量纲一液滴长度的经验关联式,为微液滴系统的设计和应用提供了指导.     

水平微通道内油水两相流压降实验研究

测试了油相及水相流体在水力学直径为895 μm的矩形铜基微通道内的单相及两相流摩擦压降,并将实验数据与已有的单相及两相流摩擦压降预测模型进行对比。主要考察油相、水相质量通量及两者比率对摩擦系数及压降的影响。结果表明,油的摩擦系数显著高于水的摩擦系数,Hagen?Poiseuille方程能够准确预测微通道内油或水的单相流体压降;油相及水相质量通量均显著影响液?液两相流压降,油水两相流体流量越大,油相含量越高,两相摩擦压降越高;Cicchitti模型能够相对准确地预测油水两相流体混合黏度。为提升预测准确度,建立了油水两相流摩擦系数预测关联式,预测值与实验值吻合较好。     

微圆柱阵微通道内沸腾换热及气泡运动特性研究

基于流体体积(VOF)模型对恒定热流密度下的微圆柱阵通道内的流动沸腾换热特性展开数值研究,并利用几何重构法捕捉气液两相界面迁移变化,研究了流道内流速的分布和微圆柱高度对气泡分布、沸腾换热性能及沸腾不稳定性的影响。结果表明:微圆柱的存在增加了气泡核化点密度;气泡运动增加了工质与加热壁面接触的可能性;微圆柱高度较低时,易发生气塞现象,加热面散热不均导致局部异常过热,换热性能下降;微圆柱阵通过阻碍气泡反向流动来降低沸腾不稳定性,但微圆柱高度过高会造成换热系统振荡,影响传热可靠性。     

不同流量下T型微通道结构对液滴生成特性的影响

为探究不同流量下不同T型微通道对液滴生成特性的影响,建立了适用于液液两相流模拟的计算模型,并采用了VOF法进行数值求解。模拟过程中通过改变T型微通道结构、连续相毛细数、两相流动方式、分散相流量以及两相流量比对微液滴的形成机制进行分析。结果表明:随连续相毛细数增加,液滴尺寸会持续减少。两相界面周围由于速度差异会出现涡,随着速度差异增大,涡的形态也会随之改变。液滴尺寸会随着分散相流量增加先增加后减小。微通道结构以及两相流动方式的改变在高流量下对液滴尺寸近乎没有影响,但是会对能产生微液滴的两相流量比范围有较大影响。     

微通道内气-液两相流动特性研究

考察了400μm光滑通道内氮气-乙醇、氮气-CMC(共5组,不同表面张力)的两相流动特性,并给出了更为普遍化的流型图,同时也研究了液体性质(密度、粘度等)对微通道内两相流体流动的影响。结果表明,不同流体的摩擦压降都会随着表观气速和表观液速的增加而呈现上升的趋势,随着粘度的增长,总体压降也会出现上升趋势,并且粘度越大越容易出现环型流。     

微反应器制备纳米碳酸钙的中试实验研究

利用微反应器制备纳米碳酸钙,得到平均粒径在25-55nm之间的超细CaCO3颗粒．研究了不同操作条件对颗粒粒径的影响,并使用XRD、TEM、比表面积仪（BET）等仪器对样品进行了分析．结果表明,在优化条件下制得的纳米CaCO3颗粒有很好的分散性能,同时CO2的利用率可达到80％以上．     

并联硅基扩缩微通道内气液两相间歇流型与压降特性

采用以IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜为主体的可视化观测系统,实验研究并联硅基扩缩微通道内氮气/水气液两相间歇流型及压降特性.随气液两相表观流速变化,间歇流子流型依次呈现环状/单相液体交替流型、弹状/环状/单相液体交替流型、弹状/单相液体交替流型、雾状/弹状/单相液体交替流型和雾状/单相液体交替流型,得到不同气液两相表观流速下并联扩缩微通道流型分布图.研究表明,均相流模型的压降计算结果同实验值有较大出入.尽管分相流模型在一定程度上引入了气液两相的相互作用,其预测结果好于均相流模型,但是仍无法精确地描述并联扩缩微通道内氮气/水气液两相的运动与空间分布.     

凹槽型微通道内液体流动换热特性的实验研究

微通道热沉是解决微机电系统电子元器件冷却问题的有效途径.为提高微通道热沉的传热性能,设计2组不同水力直径的微通道热沉,分别在其流道壁面加工三角形凹槽和扇形凹槽.搭建微通道内液体单相流动与换热实验平台,以去离子水为流体介质,实验测试不同流量下微通道热沉的进出口液体压力、温度和加热面温度.以微通道流动压降、摩擦常数、加热面...     

液滴在多曲折流道内运动轨迹的计算和实验验证

液滴在气水分离器内的运动规律是研究气水分离器分离效率的关键，本文分析了液滴在流动中的受力状态，应用差分、有限元插 四阶龙格－库塔法计算了液滴的运动轨迹，提出了实用的多曲折流道轨迹分析法，并进行了初步实验验证，实验表明计算方法是正确的。     

Simulation of rarefied gas flow and heat transfer in microchannels

Analysis and simulation of rarefied nitrogen gas flow and heat transfer were performed with the Knusden number ranging from 0. 05 to 1.0, using the direct simulation of Monte Carlo (DSMC) method. The influences of the Kn number and the aspect ratio on the gas temperature and wall heat flux in the microchannels were studied parametrically. The total and local heat fluxes of the microchannel walls varying with the channel inlet velocities were also investigated in detail. It was found that the Kn number and the aspect ratio greatly influence the heat transfer performance of microchannels, and both the channel inlet and outlet have higher heat fluxes while the heat flux in the middle part of channels is very low. It is also found that the inlet free stream flow velocity has small affect on the wall total heat flux while it changes the distribution of local heat flux.     

Bubble formation of liquid boiling in microchannels

Ｂｏｉｌｉｎｇｏｆｌｉｑｕｉｄｓｉｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄ/ｏｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,ａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｐｉｃｓｉｎｔｈｉｓａｒｅａ,ｈａｓｕｎｉｑｕｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｄｅｖｉｃｅｓｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｏｔｈｅｒａｄｖａｎｃｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｒｅｑｕｉｒｉｎｇｖｅｒｙｃｏｍｐａｃｔａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｌｙｌａｒｇｅｈｅａ…     

黏度对固液界面滑移的影响

为了研究油墨黏度对印刷过程中微尺度下油墨流动特性的影响,首先从理论方面分析黏度对油墨流动特性的影响,然后运用专业流体仿真软件FLUENT分别在有/无滑移2种条件下分析黏度对油墨流动特性的影响.结果表明：2种条件下,油墨最大压应力都随黏度增大而增大;无滑移时,黏度对油墨流动速度无影响,而有滑移情况下,随黏度增大,油墨流动速度先增大后减小,之后基本保持不变.通过2种条件的对比分析,考虑滑移与否,对油墨最大速度影响较大,因此在分析黏度对油墨流动特性的影响时必须考虑滑移.

     

泄洪雾化溅水区长度深化研究

指出雾化流溅水区长度的确定依赖于溅抛水滴的初始状态及随后运动的准确把握.建立了水滴与水面碰撞的简化模型以获得溅抛水滴运动的初始状态,并对溅抛水滴在重力、浮力与风阻力作用下的反弹斜抛运动进行了深入分析,在此基础上提出了新的溅水区长度计算公式,并与已有模型试验及原型观测资料进行了比较.     

Numerical simulation of electroosmotic flow in hydrophobic microchannels

Electroosmotic flow (EOF) is a promising way for driving and mixing fluids in microfluidics. For the parallel-plate microchannel with the hydrophobic surface, this paper solved the governing equations using the finite element method (FEM), and the effects of microchannel height, electric strength and ionic concentration on EOF were thus investigated. The simulation indicates that the transient characteristics of EOF are similar in hydrophobic and hydrophilic microchannels, the steady time of EOF is proportional to the square of microchannel height, and the scale is microsecond. EOF velocity is proportional to the electric strength and independent of the channel height, and decreases slowly with the ionic concentration, which is lower than that in hydrophilic microchannel due to the presence of slip length in hydrophobic microchannel. The results can provide valuable insights into the optimal design of microchannel surfaces to achieve accurate EOF control in hydrophobic microchannel. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50730007)     

Analysis of the heat transfer in unsymmetrically heated triangular microchannels in slip flow regime

Theresearchontheflowandheattransferinvariousmicrochannelsisafrontierintheheattransferfield.Theadvantagesofcompactstructureandhighspecificheattransferperformancemakeitpossibletousethemicroheatexchangerswithvariousmicrochannelstograduallysolvethecoolingproblemofhighheatfluxinthefieldsofmicroelectronicsengineering,lowtemperaturesuperconductorstechnology,spaceengineering,Micro-Electro-MechanicalSystem(MEMS)andsoon.Generally,thecharacteristiclengthofthedevelopingmicroscalethermalandfluidicsystem…     

流体在固体壁面流动的边界问题

为了了解微尺度下速度滑移对油墨流动特性的影响,以便提高印刷质量,首先从理论方面分析了速度滑移对流体流动特性的影响.运用专业流体仿真软件FLUENT对微尺度下油墨在墨辊间的流动进行了流体计算模拟,分析了无滑移和有滑移2种情况下油墨在传递过程中流动速度与压力的特性,同时提取墨层有效厚度,并进行对比.通过分析可以得出：当滑移速度与油墨流速方向相同时,随着速度滑移程度的提高,在油墨通道的各个位置处油墨的速度都有增大的趋势,压力有减小的趋势,墨层厚度有变大的趋势;当滑移速度与油墨流速方向相反时,随着滑移程度的增强,油墨的速度有减小的趋势,压力有增大的趋势,墨层厚度有变小的趋势.

     

溃坝水流三维湍流的试验与数值分析

采用假定溃口形状,选取临界漫顶及坝体完全淹没2组不同流量,进行定床物理模型试验,测量了溃口内部水流的垂线流速分布.采用CFD软件FLUENT对2组三维溃坝水流进行全流场湍流数值模拟,其结果与试验值吻合较好,同时较为精细地捕捉到了坝前水位稳定后溃坝水流三维流场、湍动能和壁面剪切应力.结果表明:高强度壁面剪切应力可能为坝体侵蚀主要因素,在坝顶及溃口与坝面的连接处壁面剪切应力及湍动能出现极大值,强湍动能将使得侵蚀的泥沙迅速扩散到水体当中,随着水流的运动向下游输移.三维流动的存在,使得泥沙向下游输运的过程中先向溃口内部集中,到达下游河道后再逐渐扩散到整个河道中.小流量情况下,这一趋势不太明显,随着漫顶流量的增大这一趋势明显增强.以上水力条件可能为溃口迅速展宽、降低的主要因素.