微通道内液-液两相流研究进展

从流型、传质和应用3个方面,介绍了近年来微通道内液-液两相流的研究进展。液-液两相流型研究内容主要有两部分,即流型的观察、流型谱图的绘制以及考察多种因素对流型的影响,但是具有普适性的流型谱图和流型转变线仍未提出。液-液两相传质研究方法包括实验研究和数值模拟两种,主要研究在液滴流、弹状流和平行流3种稳定流型下的传质过程;且相对于定性研究,定量的传质研究较少。对于微通道内液-液两相流应用研究,主要体现在萃取、材料合成、生物结晶等方面。此外,对今后微通道内液-液两相的流型、传质和应用研究进行了展望,指出需从实验与模拟计算相结合以及拓展微通道内液-液两相流的应用研究两个方面进行深入研究,推进其工业化进程。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。     

微尺度下液-液流动与传质特性的研究进展

微化学工程是现代化学工程学科的前沿,主要研究微时空尺度下流体流动、传热、传质现象与反应规律。着重介绍近十年来微通道内单相流体流动、互溶液-液两相流体流动与混合、互不相溶液-液两相流体流动与传质的理论和实验的最新研究进展。     

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。     

微通道内气-液两相流及并行放大的研究进展

微化工技术从基础研究到工业应用的关键步骤是过程放大。为了实现产品的高通量、易控制和连续生产,微化工过程的研究主要集中于单通道内多相流的稳定性和微通道的并行放大。对单微通道内气液两相流的流型及其对传质的影响进行了综述,阐明了微通道内气液两相流的流动稳定性和传质高效性。同时,综述了微化工技术的应用现状,证明了微化工技术在工业化应用中的潜力。此外,综述了对称并行放大和非对称并行放大2种基本并行放大方式的研究进展,对其中的流体分布及其对传质的影响进行了总结。最后,对未来的研究方向进行了展望。     

微通道中液-液萃取传质特性的研究

研究了在一个内径为400 μm管式直线型玻璃微通道中的液-液两相的传质特性,其中去离子水为水相, 煤油（溶质是苯甲酸）为油相, 氮气为气相。实验研究了表面张力、黏度和气体分散相对体积传质系数的影响,结果表明：在内径为400 μm的微通道内,当停留时间为15 s时微通道内的萃取已达到平衡;水相的表面张力和液体黏度显著影响微通道内的传质效率;在液-液系统中引入气相后,水油两相之间的传质效率显著增加。     

微通道内气-液传质研究

以CO₂-H₂O为模型体系，实验考察了当量直径为667 μm的单通道和16个并行通道内的气-液传质行为.实验发现，液体表观速度增加，单通道内液侧体积传质系数明显提高;同一液体表观速度下，液侧体积传质系数随气体表观速度增加而增加;在实验数据基础上关联了液侧体积传质系数与气-液两相流参数间的关系.微通道内的液侧体积传质系数较常规尺度气-液接触设备至少高1～2个数量级.并讨论了并行微通道内气-液两相流分配特性对整体传质性能的影响，表明合理设计气、液流动分布结构，可保证微通道内优异的传质特性.     

T形微通道结构中液液两相流动与传质规律

对单级和双级T形微通道结构中水和甲苯两相流动与传质进行了实验与模拟,拍摄了两相流动流型变化,通过测量醋酸在水和甲苯两相的分配获得了T形微通道中液液两相传质系数.采用VOF流体力学模型模拟了T形微通道中弹状流的形成和变化过程,准确预测了弹状尺寸.研究发现,无论流动处于弹状流还是并行流,在保持相同停留时间条件下,双级T形微...     

T型通道内气液两相流相分离研究进展

回顾了气液两相流在T形处相分离研究的起因,阐述了对其研究的意义。从实验研究方面着重介绍了不同因素对T型通道内气液两相流相分离的影响。在模型研究方面,介绍了目前为止的3种模型化方法,简单阐述利用数值模拟(CFD)方法研究气液两相流相分离的情况,指出了T型通道内气液两相流相分离的研究难点,并且对该领域今后的主要研究方向进行了展望。     

T型微通道内液-液两相流流型研究

论文建立了T型微通道内液-液两相流动理论模型并采用格子Boltzmann方法进行了数值模拟,研究了T型微通道内液-液两相流型形成机制及其影响因素。采用已有文献中的实验数据验证了模型的合理性。研究结果表明,T型微通道液-液两相流流型主要由两相入口流量比和离散相We数决定,通过调整入口流量比和离散相We数,可获得弹状流、离散液滴、平行流等经典流型。离散相的相对长度受连续相毛细数Ca影响明显。当连续相毛细数较大,离散相形成液滴,离散相相对长度随连续相毛细数Ca呈单调减少趋势。     

微通道内气液(液液)二相流的实验研究进展

综述了微通道内气液(液液)二相流的流型特征.微通道内气液二相流常见的流型为泡状流、弹状流、环状流和翻腾流;液液二相流常见的流型为液滴流、塞状流、平行流及环状流.分析了不同操作条件对气液(液液)二相流行为的影响.介绍了微通道内气液(液液)二相流流型判别谱图,对常用的弹状流、液滴流和塞状流进行了重点介绍.指出了微通道内气液...     

台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理

利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理。以甘油水为分散相、含3% Span 85的环己烷为连续相,观测到了滴状-滴状流、过渡-滴状流、喷射-过渡流和喷射-喷射流4种流型;以两相流量为坐标轴绘制了流型图,并获得了流型转变线;分析了流型的转变机理。考察了分散相黏度对流型及其转变的影响机制。随着分散相黏度的增大,流型转变线整体向下移动,滴状-滴状流区域变小,喷射-喷射流区域变大。最后,运用介尺度概念分析了并行微通道内液液两相流非均匀结构的动态效应。     

微通道中钒的液-液流型和萃取传质动力学研究

采用伯胺N1923萃取剂在微通道中研究V(V)的液-液流型和萃取传质动力学,以15vol% N1923作为连续相、钒氧酸根水溶液作为分散相,研究不同流速下两不混溶相的流型变化规律及两相停留时间和微通道管径作为流速的函数对传质的影响。随两相流速增大,段塞流长度和比界面面积基本不变,且两相流体由Raydrop微通道流入外接毛细管微通道时由于微通道的扩张会改变两相流动方式,使同一实验条件下在微通道中同时出现多种流型,与此同时两相流速和总体积传质系数(kLa)呈正相关,表明流型在本研究体系中对传质的影响可忽略。在相同管径通道内,停留时间与总体积传质系数呈负相关,表明在两相接触通道入口处发生了显著传质。在相同的两相混合速度和相比下,254 μm的管径传质效果是750 μm的9倍,表明小管径内传质效果更加,循环强度更大。最后将实验总体积传质系数结果与总体积传质系数的经验式进行了关联,有望为实现将微通道放大的绿色冶金技术提供理论基础。     

Direct numerical simulations of mass transfer in square microchannels for liquid-liquid slug flow

Microreactors for the development of liquid-liquid processes are promising technologies since they are supposed to offer an enhancement of mass transfer compared to conventional devices due to the increase in the surface/volume ratio. But impact of the laminar flow should be negative and the effect is still to be evaluated. The present work focuses on the study of mass transfer in microchannels by means of 2D direct numerical simulations. We investigated liquid-liquid slug flow systems in square channel of depth. The droplet velocity ranges from 0.0015-0.25 m/s and the ratio between the channel depth and the droplet length varies between 0.4 and 11.2. Droplet side volumetric mass transfer coefficients were identified from concentration field computations and the evolution of these coefficients as a function of the flow parameters and the channel size is discussed. This study reveals that mass transfer is strongly influenced by the flow structure inside the droplet. Moreover, it shows that the confinement of the droplets due to the channel size leads to an enhancement of mass transfer compared to cases where the droplets are not constrained by the walls.     

微流道气-液两相流研究及其在PEMFC中的应用进展

微流道由于具有比表面积高、传质能力强等优点,已成功地应用于化工领域的多种气-液反应体系中。此外,其在化工领域中的研究成果还可以应用于目前备受关注的燃料电池领域以提高其电化学转化效率。然而,微流道尺度的微小化以及其中气-液两相流规律的复杂性使得微流道内的气-液两相流特性的阐明还需要进一步的研究,才能促使微流道在实际应用中发挥更优异的作用。本文从流型、压降和传质三个关键特征的研究角度来介绍微流道内气-液两相流的研究进展,简述了不同流型的特征及其形成条件,阐明了其对应的压降大小和传质能力的高低,回顾了现有的压降和传质系数的预测模型及其相应的优化措施,并分析了运用这三个关键特征的相关参数来优化质子交换膜燃料电池流场设计方面的研究进展,得到了流场类型、流道尺寸、流道形状、流道表面特性等的优化方案。但是,燃料电池中的精细流道的特殊结构及其特定工况使得其与传统的微流道有显著的区别。由此,本文提出了应当根据燃料电池精细流道的特点探明其中的两相流型、压降和传质的动态变化规律以及构建相应的压降预测模型的建议,以期为流场设计提供更准确的参考依据,进而提高燃料电池性能,加速燃料电池的商用进程。     

T形微通道中互不相溶两相流数值模拟

采用摄动有限体积（PFV）算法和水平集（level set）技术对T形微通道内互不相溶两相流动进行了数值模拟研究。考察了两相界面张力和微通道壁面润湿性对流动的影响,精确地捕捉到了油水两相流动的界面。对一些典型的T形微通道油水两相流动进行了数值计算,模拟结果和实验结果吻合较好。分析总结出了微通道内两相流动过程中的一些基本规律,为微通道内的液液两相流动实验设计和工业应用提供了新的数值预测手段。