局部几何构型对聚焦流微通道内液滴生成特性的影响

在微流控技术中,微通道结构的优化设计是一种被动实现液滴精确调控的有效方法。为探究分散相入口、通道下游孔口以及二者共存模式下的通道结构变化对液滴生成特性的影响,采用VOF / CSF耦合level set的界面捕捉法对聚焦流微通道内的液滴生成开展了数值模拟研究。结果表明,当孔口为单一变量时,液滴生成周期和直径随孔口宽度呈近线性增大,且颈部宽度收缩率随孔口宽度的增大而不断减小。孔口的收缩有助于强化连续相Y方向的挤压和X方向的黏性剪切作用。当孔口宽度较小,聚焦作用较强时,液滴生成周期和直径整体上对分散相入口竖直和水平边锥形角的变化并不敏感;此时,孔口对连续相的聚焦效应主要影响液滴的生成特性。当孔口和分散相入口水平边锥形角θ₂同步变化时,二者可协同影响液滴的生成。孔口宽度的增大削弱了孔口的聚焦作用,液滴挤压破裂时间在单个周期中的占比逐渐增大。此外,当孔口宽度较大时,液滴生成开始对θ₂敏感,其周期和直径随θ₂增大而增大,且液滴可从滴流向射流模式转变。     

双T型微通道气液液三相流型分布数值研究

近年来微尺度气液液三相流因其独特的流动传递特性,成为各领域的研究热点。气液液三相流动流体成分多,自由度较高,这也使得流型和分散尺寸的调控成为研究的基础和难点。为了研究双T型微通道内气液液三相体系特征流型的分布情况,对不同流速及通道入口尺寸条件下的三相流动进行了数值模拟,采用流体体积函数(VOF)模型,以辛烷为连续相,水和空气为分散相。首先考察了在辛烷入口尺寸为0.1 mm,单相流速调控下的流型演变,得到了以JG+JO为横坐标,JW为纵坐标的三相流型分布图。结果表明,当辛烷入口尺寸缩小到0.05mm时,复乳型液滴被"含有气泡的液液平行流"替代;三相交替流型特征明显,两级通道后的气泡、液柱尺寸分布也呈一定规律发展。     

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。     

微通道内气泡和液滴自组织行为的研究进展

微流体技术良好的可控性为制备高通量的单分散性气泡或液滴提供了新的途径，气泡和液滴的流动行为因在材料领域具有较大的应用前景而受到关注。综述了近年来微通道内气泡和液滴自组织行为的研究进展。气泡或液滴自组织晶格具有周期性的流动特征，自组织行为受分散相体积分数、液滴或气泡尺寸、聚并效应和通道构型的影响。展望了气泡和液滴自组织行为研究过程中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参考。     

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。     

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400μm×400μm 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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

微通道里流速分布对大功率LED散热性能的模拟分析

本文以大功率LED水冷散热为研究对象,利用FLUENT软件模拟微通道里流体流速的分布对大功率LED芯片表面温度的影响。分析了微通道流速分布与LED散热之间的关联机制,探讨在相同的入口流速下,微通道里流体流速的均匀性对大功率LED芯片表面温度的影响。模拟结果表明:在同一入口流速下,微通道的深宽值越大,微通道里流体流速分布就越均匀,大功率LED芯片表面的温度越低。FLUENT能够合理地模拟仿真大功率LED芯片的温度分布以及微通道里流体流速的分布,为设计合理微通道结构参数并对其进行优化,从而获得理想的流速均布结果提供理论基础。     

基于阶跃射流的撞击流反应器流场动态特性分析

利用实验与数值模拟方法对动态阶跃型撞击流反应器流场特性进行研究,分析不同入口速度条件下流体流动规律、湍流特性以及能量水平。结果表明,动态阶跃型入口条件下,撞击面在两喷嘴之间周期性移动,流动参数也会发生周期性变化。随着入口平均速率的增大,驻点速度逐渐增大;随着两喷嘴入口速率差的增加,撞击面移动速度加快,撞击区流体湍流强度逐渐增加;随着入口平均速率与入口速率差的增大,XOZ平面在一个周期内的平均湍动能逐渐减小。对比动态撞击流反应器与稳态撞击流反应器内流场特性,探究动态入口条件对撞击流反应器流场特性的影响。结果表明,动态阶跃撞击流反应器湍流黏度、湍流强度和湍动能等参数均明显高于稳态撞击流反应器,撞击轴线上的湍动能梯度分布大于稳态撞击流反应器。动态入口条件下撞击流反应器流体湍动更剧烈,能量水平更高,有利于增加流场内流体扰动与促进混合。     

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。     

微通道内连续合成十二烷基苯磺酸的响应面分析及混合过程模拟

随着精密加工技术的发展,特征尺寸小于1mm的微化工设备因其高效的传质传热效能及本质安全特性逐渐被应用在许多有机合成工艺中。微通道内连续合成十二烷基苯磺酸是开发高效、绿色、安全的磺化工艺的重要基础。本文通过响应面实验方法,研究温度、流量、SO₃/DDB摩尔比对微反应器内十二烷基苯磺化工艺的交互影响,发现产品活性物质含量受流量影响最大,而T形结构微混合器中流量这一因素主要影响流体碰撞强度和停留时间。因此,利用CFD计算流体力学方法对T形微混合器内流体进行表征。模拟了T形混合器内不同流速下SO₃和DDB的混合状态,发现其混合状态变化规律与实验所得结论基本一致,低流速时混合器内混合效果不强,随着流速的增加,混合器内组分互相混合的区域明显增多。认为是流速的增大使得混合器内流体受到的惯性力增大,且增强了混合处流体的碰撞,相对地使混合器内流体受到表面张力减小,增强了混合效果。研究了有无溶剂条件下不同流速时T形微混合器内水和甲苯两相流体混合状态,发现无溶剂条件下流速为0.12m/s时,两相流体受界面张力作用发生一定程度混合后分离呈泰勒流形式流动;流速为0.15~0.17m/s时,混合现象消失,流体直接呈泰勒流形式;流速为0.19~0.21m/s时,受对撞效果增强影响再次出现混合部分。而有溶剂条件下,流体不再出现明显的泰勒流,而是以特征尺寸小于管道尺寸的小液滴的形式在管道内流动,流速为0.12~0.17m/s时流体呈不规则流动,流速为0.19~0.21m/s时流体以密度从大到小由内而外分布在管道径向方向上。认为是溶剂的引入减小了界面张力的作用,使得Re数升高时,惯性力的主导作用更强。     

振动微液滴的传质机理与模型

提出了微液滴振动传质的机理模型,基于微液滴振动引起的周围流体介质周期性变化流场和基本输运方程,得到简化的传质控制方程及其数值解,模拟结果表明传质组分的浓度分布具有明显的非均匀特征,其迎流面的浓度梯度显著大于背流面,导出的平均Sherwood数和传质速率随振动频率增加而增大.采用电动力学天平中作一维拟简谐振动的十二烷醇微液滴在氮气介质中的蒸发传质实验数据对模型进行验证,结果表明本文模型所预测的平均Sherwood数变化趋势与实验结果一致,平均Sherwood数预测误差为39.5%,说明本文的传质模型能描述此类微尺度下具有周期性运动特征的单个液滴表面传质现象.     

渐扩渐缩波纹通道内脉动流的传热强化

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法, 数值研究了周期性渐扩渐缩波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为10～1000,Pr数为0.7.计算考察了不同Re数、脉动频率以及振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,稳态下Re数大于40以后,流动出现分离,Re数大于600以后,流动显得复杂和混乱;受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着流动Re数、脉动频率以及振幅的增大而增强;另外,流动阻力随着无量纲时间呈正弦规律变化,但与脉动频率无关.     

流动聚焦微通道内牛顿微液滴在幂律剪切致稀流体中的生成研究

采用开源CFD软件OpenFOAM中的interFoam求解器对流动聚焦微通道内微液滴的形成过程进行了数值模拟。通过与文献中的实验数据进行对比,验证了VOF模型和幂律非牛顿流体模型的准确性。并以此为基础模拟了幂律剪切致稀流体中牛顿微液滴的形成过程,研究了幂律流体的幂律指数n和稠度系数K对微液滴生成的影响。研究表明,在滴状和挤压状流型中,离散线颈部宽度与周期内剩余时间呈幂律关系;离散线长度在坍塌阶段呈现线性缓慢增长,在夹断阶段呈现近似指数迅速增长的趋势。随着n和K的增大,液滴的尺寸逐渐减小,而生成频率则逐渐增大,且n的变化比K的变化对其产生的影响更明显。     

聚醚砜超滤膜乳化法制备乳化柴油

采用平均孔径为25 nm的聚醚砜超滤(UF)膜,以去离子水为分散相,以0#柴油为连续相,分别以Tween-20和Span-80为分散相及连续相的乳化剂,采用膜乳化法制备W/O型乳化柴油。UF膜乳化法制备的乳液比传统乳化方法稳定时间提高2～2.5倍,而相同条件下乳化剂用量减少了50%～65%。此外,考察了UF膜法制备乳化柴油过程中的各工艺参数对乳液液滴大小、分布及稳定性的影响规律,结果表明:当乳化剂质量分数高于0.5%,连续相流速在2.0～5.0 m/s范围内,跨膜压差为0.02 MPa时,乳液分散系数α达到0.12～0.3,液滴尺寸为30～65 nm。     

Z字型碳化硅印刷电路板换热器性能优化分析

针对Z字型碳化硅印刷电路板换热器(PCHE)作为高温回热器时的传热与流动性能进行优化分析,采用数值模拟和响应曲面法相结合的方法,以努塞尔数和范宁摩擦系数为响应值,以冷流体压力、冷流体入口温度、热流体入口温度、通道弯曲角度、通道直径以及质量流速作为影响因素进行优化设计,确定最优的结构和工艺参数。结果表明,单因子中通道弯曲角度对响应热侧范宁摩擦系数影响显著性最高,通道直径对响应热侧努塞尔数影响显著性最高。当Z字型碳化硅PCHE作为高温回热器,冷流体压力为30 MPa,冷流体入口温度为568.44 K,热流体入口温度为893.813 K,通道弯曲角度为15°,直径为1.769 mm,质量流速为349.997 kg/(m²·s)时,流动阻力最小;当冷流体压力为23.078 MPa,冷流体入口温度为541.961 K,热流体入口温度为800.045 K,通道弯曲角度为45°,直径为1.8 mm,质量流速为350 kg/(m²·s)时,换热效果最好。