壁面润湿性对蛇形微通道内两相流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在90°Y形汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同接触角的蛇形微通道内气液两相流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。验证模型合理性后,根据模拟计算结果,以气液相流速为坐标绘制了不同接触角下的流型图并分析其差异性及原因;同时深入研究了液相黏度和接触角对于弹状流流体力学性质的综合影响;比较了具有不同接触角壁面的蛇形微通道内两相流压降、摩擦因子、壁面摩擦系数和剪切应力的分布规律,并讨论了蛇形微通道内气液两相流动的影响因素。研究表明疏水壁面即接触角大于90°时,微通道内两相流压降、摩擦因子、壁面摩擦系数和剪切应力均低于亲水壁面微通道内相关参数,更利于流体流动。     

小曲率蛇形微通道弯头处弹状流流动及传质特性的数值研究

采用CLSVOF（coupled level set and volume of fluid）方法,以空气和水为工作流体对小曲率矩形截面蛇形微通道内气液两相流动进行模拟研究。验证模型的合理性后,研究了曲率对弯通道内压降的影响,曲率及气相速度对弹状流气泡及液塞长度的综合影响;同时深入分析了弯管内气液两相流动的传质特性,包括不同曲率下气泡长度的变化,弯管内液侧体积传质系数与液膜体积传质系数的比较,曲率及气相速度对液相体积传质系数的影响。同时,对比了回转弯道与直微通道传质系数的差异,发现弯微通道可以强化传质。     

小曲率蛇形微通道弯头处弹状流流动及传质特性的数值研究

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法,以空气和水为工作流体对小曲率矩形截面蛇形微通道内气液两相流动进行模拟研究。验证模型的合理性后,研究了曲率对弯通道内压降的影响,曲率及气相速度对弹状流气泡及液塞长度的综合影响;同时深入分析了弯管内气液两相流动的传质特性,包括不同曲率下气泡长度的变化,弯管内液侧体积传质系数与液膜体积传质系数的比较,曲率及气相速度对液相体积传质系数的影响。同时,对比了回转弯道与直微通道传质系数的差异,发现弯微通道可以强化传质。     

微通道气液两相流研究进展

介绍了国内外微化工发展背景及发展现状,微通道内气液两相流流动气泡特性和传质特性。微通道中(横向及竖向微通道)气液两相流流型划分主要有泡状流、弹状流、环状流、搅拌流等。气泡形成过程中流体挤压力对气泡表面进行破坏致使分离,表面张力则在整个过程中维持着气泡形状及长度。着重介绍了微通道内气泡形成过程及经验长度计算,比较了不同研究者提出的经验公式中气液相表观速度比和气泡长度的关系,得出气泡长度均随气液相表观速度比的增加而增加,但依据研究者实验条件不同增加趋势也不尽相同。传质方面,研究基本集中在气液相比表面积较大的泡状流、环状流上,而气液表观速度、当量直径、压强等都会影响传质系数。微通道气液两相流虽然在传热、传质方面有很大的应用前景,但仍存在研究手段单一、理论数据不完善等问题,指出在未来的研究中研究者们要扩大领域范围,为传质传热的实际应用提供更可靠的理论依据。     

入口角度及壁面性质对蛇形微通道内弹状流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在Y型汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同壁面性质的蛇形微通道内弹状流流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。通过验证实验后,模拟计算了气相速度,Y型夹角和壁面性质对气泡长度的影响,以及Y型夹角对微通道内弹状流压降和流动阻力的影响;探讨了粗糙度与壁面润湿性对流动阻力的影响;同时,针对蛇形微通道弯管部分,分析了角度和壁面性质对弹状流流动的影响。通过计算,发现当壁面接触角及Y型夹角为90?时,气泡长度最大;当直微通道为亲水性光滑壁面,回转弯道为粗糙度较大的疏水壁面时,Po数较小。     

壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La均随气、液相表观流速的增大而增大,随通道壁面润湿性的增强而增大。     

微通道内气-液弹状流动及传质特性研究进展

气-液弹状流,又称Taylor流,是一种以长气泡和液弹交替形式流动的流动形态。微通道内气-液弹状流因其气泡与液弹尺寸分布均一、停留时间分布窄、径向混合强等优点,是一种适于强化气-液反应的理想流型。本文首先介绍了微通道内气泡的生成机理、气泡和液弹长度,以及气泡生成阶段的传质特征。其次系统综述了主通道中弹状流动及传质过程的研究进展,包括气泡形状与液膜厚度、液弹内循环和泄漏流特征、气-液传质系数的测量与预测,以及物理与化学吸收过程中的传质特性等方面内容。最后阐述了当前研究的不足并展望了气-液弹状流的研究方向。     

基于微吸收器的CO2吸收过程研究进展

微化工技术在流体流动、过程强化、传质与反应过程等领域备受关注,本文归纳整理了3种不同类型的微吸收器（微降膜吸收器、微通道吸收器和微网格吸收器）捕集CO₂过程中的水力学性质和传质过程及其机理研究进展,并对3种微吸收器吸收CO₂过程中存在的问题进行分析总结,同时对微吸收器能快速工业化提出展望。其中重点介绍了微通道泰勒流吸收器的水力学流动特性,包括泰勒流气泡的生成机制、气泡和液弹的长度、气泡的输运和运动速度、气泡截面形状及液膜厚度和气液两相流压降;归纳了微通道泰勒流吸收过程的传质过程机理和传质系数的模型以及不同影响因素（通道截面尺寸,通道长度,主通道结构及入口形状,气、液相组成及其流速,吸收剂和系统压力）作用下CO₂吸收效率和传质系数的研究进展。     

蛇形微通道气液两相流型的数值研究

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法,以空气和水为介质对矩形截面蛇形微通道内气液两相流动进行模拟研究。验证模型的合理性后,系统地研究了表面张力,液相黏度,壁面接触角及通道截面形状对蛇形微通道内不同流型间转换界限的影响,并绘制了不同表面张力、液相黏度及接触角下的流型图。最后,将计算结果与相同当量直径不同截面微通道内两相流流型图进行对比,分析截面形状及高宽比对流型间转换界限的影响。这些基本规律为微通道的系统设计提供了一定依据。     

对称分支并行微通道中气液两相流的均匀性规律

采用高速摄像系统研究了对称分支形并行微通道内气液两相流及弹状气泡均匀性规律。实验中分别采用含0.3% SDS的甘油-水溶液与氮气作为液相和气相。观察到弹状流和泡状流两种流型,作出了由两相操作条件构成的流型图及流型转变线。结果表明,气泡非均匀性主要由两微通道内流体之间的相互作用、下游通道中流体动力学的反馈作用以及通道制造误差造成。随液相黏度增大,气泡均匀性变好;在高液相流量以及低气相压力下操作,气泡尺寸分布更易达到均匀。基于压力降守恒原理和微通道内气液两相流阻力模型,构建了两通道中气泡尺寸的预测模型。     

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。     

微小空间内光合细菌与气-液相界面作用的可视化实验

实验研究了光合细菌在微槽道光生化反应器内的产氢过程以及光合细菌与气-液相界面之间的相互作用。实验发现微槽道内气泡的初始生长点多位于粗糙的侧壁面,气-液相界面内外气体分子的浓差扩散导致气泡不断长大,液体流速增大加快了气泡的生长速率。在某些区域还观察到气泡逐渐缩小直至溶解于液相中的现象;光合细菌会在气-液相界面既存在不可逆吸附现象又存在排斥现象,吸附在气-液相界面的光合细菌会围绕气泡表面运动。同时吸附在气-液相界面的光合细菌增加了气泡的机械强度和稳定性并阻碍气泡的聚合。     

微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

通道壁面浸润性对微通道内的气-液两相流具有重要影响。利用等离子体辅助接枝改性,将甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）及1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷接枝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料表面,得到了10°、40°、70°和110°四种接触角的微通道,并考察了浸润性对流型、气泡长度和压降的影响。结果表明,随接触角增大,气泡截断位置下移,膨胀阶段缩短,挤压阶段变长;低流量时,气泡长度随接触角增加而增大,高流量时则减小;建立了与材料表面水接触角相关的气泡尺寸预测关联式,与Garstecki经典预测关联式相比,预测精度更高;θ<90°时,接触角增加,压降减小;θ>90°时,三相接触线使流动阻力和压降增加。     

微反应器内入口结构对Taylor气泡形成过程的影响

采用计算流体力学方法,考察了微通道入口结构、气液比及两相混合速度对Taylor气泡形成过程的影响,模拟结果与可视化实验符合良好。与单纯流体体积法相比,水平集法（level set）和流体体积法（volume of fluid）相耦合的方法（coupled level set and volume of fluid method,CLSVOF）可获得更精确的气液界面,且CLSVOF法结果与实验结果更符合。数值模拟结果发现,通道入口结构及气液比对气泡长度、气泡生成频率及气泡体积有很大影响。气液比恒定,不同通道入口结构,两相混合速度对气泡长度有不同影响。     

Gas/liquid/liquid three‐phase flow patterns and bubble/droplet size laws in a double T‐junction microchannel

The double T‐junction microchannel is a classical microstructured chemical device used to generate gas/liquid/liquid three‐phase microflows. An experimental study that focused on the three‐phase flow phenomena and bubble/droplet generation rules in a double T‐junction microchannel was introduced. Based on the published knowledge of gas/liquid and liquid/liquid two‐phase microflows, new flow patterns were carefully defined: bubble cutting flow, spontaneous break‐up and bubble cutting coupling flow, and bubble/droplet alternate break‐up flow. According to the classical correlations of bubble and droplet volumes and their generation frequency ratio, the operating criteria for creating different three‐phase flow patterns were established and a model for the dimensionless average bubble and droplet volumes in the three‐phase microflows was developed. These various three‐phase microflows have great application potential in material science and flow chemistry synthesis. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 1722–1734, 2015     

Hydrodynamics and mass transfer of oscillating gas‐liquid flow in ultrasonic microreactors

Ultrasonic microreactors were used to intensify gas‐liquid mass‐transfer process and study the intensification mechanism. Fierce surface wave oscillation with different modes was excited on the bubble. It was found that for slug bubbles confined in smaller microchannel, surface wave oscillations require more ultrasound energy to excite due to the confinement effect. Cavitation microstreaming with two toroidal vortices was observed near the oscillating bubble by a streak photography experiment. Surface wave oscillation at the gas‐liquid interface increases the specific surface area, while cavitation microstreaming accelerates the interface renewal and thus improves the individual mass‐transfer coefficient. With these two reasons, the overall mass‐transfer coefficient was enhanced by 3–20 times under ultrasonication. As for gas‐liquid flow hydrodynamics, ultrasound oscillation disturbs the bubble formation process and changes the initial bubble length and pressure drop. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 1294–1307, 2016     

On the leakage flow around gas bubbles in slug flow in a microchannel

The leakage flow is that liquid does not push gas bubbles and leaks through the channel corners. This leakage flow was confirmed by tracking particles moving in the liquid film with a double light path method and was quantified by tracking the gas–liquid interface movement. The results show that leakage flow varies during bubble formation process. The average net leakage flow Q_net‐leak in a bubble formation cycle at T‐junction can be as large as 62.4% of the feeding liquid flow rate, depending on the liquid properties. Q_net‐leak for regular flow at main channel is much smaller, ranging from about 0 to 30% of the feeding liquid flow rate. The difference between the two leakage flows would lead to an increase in liquid slug length after generation. Finally, the effects of parameters such as phase flow rates, surface tension, and viscosity were investigated. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 3964–3972, 2015