蛇形微通道气液两相流动特性

以空气、去离子水为实验工质,在θ=50°的Y型混合器内充分混合,利用高速摄像仪对当量直径177.8 μm的小曲率蛇形微通道进行可视化实验,对比了两种气液混合方式(上气下液型、上液下气型)下的流动特性。实验发现的主要流型有弹状流、波状分层流、弥散流等,对此分别研究了气弹的形状和长度、液膜厚度以及气流携带液滴的份额,并提出新的预测液滴含量的关联式。此外,针对这两种不同的混合方式,在弯道处发现圆弧可以诱导产生弹状流,二者均经历拉伸和断裂过程,区别在于后者在拉伸之前,先要进行膨胀。不同的气液混合方式对各相的流动会产生一定的影响,两相流体在通道壁面附近以及弯道处的分布也有所区别。     

气-液分层流界面波的实验研究及统计分析

用电导探针测量了水平及微倾斜上升和下降管内气 -液分层流瞬态液膜厚度 ,得到了不同的波形图 .用统计分析的方法研究了界面波信号的频谱特性 ,得到了不同倾角时管内分层流界面波各特征参数 ,如界面波振幅、波长、波速 ,并给出了各参数随气液折算速度和管子倾角的变化特性     

水平管段塞流气弹区液膜特性研究

为了研究气液段塞流相界面的结构特征,采用了双平行电导探针技术对水平管内段塞流气弹区的液膜特性进行了实验测量,并基于一维双流体模型导出液膜厚度的控制方程,该方程对液膜厚度的预测结果与实验结果吻合良好。结合液膜厚度计算模型提出了计算段塞流的机理模型,该段塞流机理模型的计算结果表明对于液相表观速度较高而气相表观速度较低的段塞流,机理模型中忽略液膜非平衡性时得到的平均液膜厚度和气弹区长度明显偏低。     

逆向气流对薄膜流动特性影响研究

气液二相逆流的降膜流动形式是规整填料塔内常见的流动形式,与气液并流模式相比,采用气液逆流的进料方式更有利于物质的交换。文中将在传热传质中起决定性作用的平板和波纹板上薄膜流体微观流动作为研究对象,对逆流气体存在下的薄膜流动特性进行数值仿真。采用开源CFD软件OpenFOAM进行建模,利用基于VOF法的inter Foam求解器,重点分析了不同逆流气速下,薄膜流体自由界面形状、自由界面速度、厚度方向上速度分布和流线图的变化。研究了倾斜平板和波纹板上薄膜流体受逆向气速的影响,分析发现相比平板上的两相流动,波纹板上的液膜受逆向气流的影响更复杂和剧烈,波动性更强,有助于传热传质的进行。     

基于浓度/速度场测量的吸收过程液相传质系数

针对矩形流道内气、液流体的并流吸收传质过程,分别应用实时激光全息干涉术和激光多普勒速度仪对不同气、液流速下液相内近界面浓度分布与速度分布进行了实验观测.结果表明,边界层内浓度分布呈指数下降,流速越大梯度越陡,且速度边界层厚度要大于浓度边界层厚度.建立了通过物料衡算求算液相传质系数的方法.得到了不同条件下平均液相传质系数,并与Whiteman’s双膜理论的计算结果进行了比较.     

垂直上升气液两相弹状流模型

基于等效弹单元思想,改进了预测垂直上升管中充分发展气液弹状流流动特性的模型。 模型中考虑了界面切应力对液膜运动的影响;并在液弹空隙度预测中引入临界气体夹带速度的概念,以此来描述弹状流中大气泡尾部的混合特性。本文提出的模型还考虑了管径对液弹空隙度的影响。弹状流模型的计算结果得到本文及其他作者实验数据的验证。     

水平管段塞流持液率的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性.今对水平管中段塞流持液率的波动特性进行了分析.结果表明:在同一折算液速下,随着折算气速的增加,段塞单元的平均持液率和液膜持液率先快速下降再缓慢下降,而液塞持液率先缓慢下降再快速下降.段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;概率密度函数中较完好的峰所对应的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率相一致.     

生物转盘表面液膜流动特性数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,运用流体体积(VOF)模型研究生物转盘表面液膜流动特性,分析了传统实心转盘和新型开窗转盘表面液膜的成膜特性、厚度和速率等,并考察了不同转盘厚度对成膜和液膜厚度的影响。结果表明:实心转盘的液膜自上而下平缓过渡,而开窗转盘中,开窗区域附近出现液膜位置的急剧变化,并在槽内液体下方发现很多不规则的气泡;转盘在上升区的液膜厚度随角度的增加快速减小,而下降区的液膜厚度基本不变,趋于稳定;转盘开窗形成的自由膜速率大,更新频率快;在研究范围内,不同厚度转盘形成的液膜随转盘厚度增加,开窗区域的自由膜厚度增加。     

垂直上升管中的液弹长度分布

根据气液相不同的电导性质,通过实验测得了气液二相弹状流中气液弹的长度及速度。利用统计方法研究了在垂直上升管内不同位置以及不同气液表观速度下的液弹长度分布。结果表明该分布能够与对数正态分布关系式符合得很好,气液表观速度对液弹长度影响并不显著。同时还研究了气泡上升速度与前方液弹长度的关系,该关系可以用R.van Hout得到的经验关系式来描绘。     

规整填料表面液膜流动特性的数值模拟

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。     

Hydrodynamics and local mass transfer characterization under gas–liquid–liquid slug flow in a rectangular microchannel

Gas–liquid–liquid three-phase slug flow was generated in a glass microreactor with rectangular microchannel, where aqueous slugs were distinguished by relative positions to air bubbles and organic droplets. Oxygen from bubbles reacted with resazurin in slugs, leading to prominent color changes, which was used to quantify mass transfer performance. The development of slug length indicated a film flow through the corner between bubbles and the channel wall, where the aqueous phase was saturated with oxygen transferred from bubble body. This film flow results in the highest equivalent oxygen concentration within the slug led by a bubble and followed by a droplet. The three-phase slug flow subregime with alternate bubble and droplet was found to benefit the overall mass transfer performance most. These results provide insights into a precise manipulation of gas–liquid–liquid slug flow in microreactors and the relevant mass transfer behavior thereof.     

射流强化螺旋通道内流体流动与换热的数值模拟

采用CFD软件模拟了射流作用下圆形截面螺旋通道内流体的流动及强化传热特性,模拟结果与实验结果吻合较好。研究了无量纲曲率?=0.061、无量纲螺距?=0.121的螺旋通道内复合涡旋结构及其演变过程,考察了射流入射角度?=π/6~π/3、射流速比?j=3~6时射流对螺旋通道换热的强化效果。结果表明,射流的初始阶段,射流的冲击作用抑制了单一螺旋通道内的离心二次涡旋,生成一对与其旋转方向相反的射流诱导涡旋,随流动发展,射流诱导涡旋先由两涡演变为单涡结构而后逐渐耗散消失。射流作用显著强化了螺旋通道内侧壁面附近流体的换热,随着?减小或?j增大,强化传热效果增强。?j≥4时,不考虑射流流量增加时综合强化传热因子JF1=1.26~1.67,考虑射流流量增加时JF2=1.008~1.19。     

倾斜窄矩形通道中气弹运动速度

利用高速摄像系统,对4种倾角下窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内弹状流进行了可视化研究。实验中发现,低流速时,倾斜条件下,由于浮力的影响,气弹头部偏离管道中心,头部变尖,因而气弹运动速度加快,系数C₀随倾角增加而减小,漂移速度V₀呈相反变化趋势;高流速时,流动趋于稳定,倾角对气弹速度影响不显著,对C₀和V₀影响较小。通过实验数据评价了竖直条件下4种气弹速度计算关联式。以Froude数3.5为界,分别提出了倾斜条件下C₀和V₀计算关联式。     

竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性

为了研究竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性,建立了窄矩形通道内环状流的数学物理模型,并进行了实验验证。通过数值求解环状流的数学物理模型得到了环状流区域的压降梯度、沸腾传热系数和液膜内的速度分布。结果表明窄矩形通道内的环状流模型能够很好地预测环状流区域的压降梯度和沸腾传热系数,而且环状流液膜内速度在法向的分布是非线性的,在层流边界层区速度梯度较大。热通量和窄矩形通道的尺寸对液膜的流速有很大影响,随热通量的增加和窄矩形通道尺寸的减小液膜的流速逐渐增加,然而质量流速对液膜流速的影响较小,而且随质量流速的增加液膜的速度逐渐减小。     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。     

矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率分布实验研究

应用电导探针测量技术,对矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率进行实验研究。在不同的气相折算速度下,应用电导探针测量了弹状流弹单元的长度,并与可视化方法进行对比,验证了电导探针的可靠性,并为信号处理选择合适的阈值。分别在泡状流、弹状流及环状流三种流型的条件下,分析了气相与液相折算速度对局部含气率分布的影响。实验结果发现,螺旋通道气液两相局部含气率呈非对称的抛物线形分布,这种非对称性受流型和液相折算速度的影响。     

三分螺旋折流板换热器内二次流分布与强化传热关系分析

通过对倾斜角35°首尾相连的三分螺旋折流板换热器的数值模拟,展示了其壳侧通道内流体在典型切面上的流场和流线分布,以及典型切面上典型直线的流动和换热参数分布,并与性能测试结果进行了对比。结果表明,数值模拟结果与实验结果是吻合的。螺旋折流板形成的近似螺旋通道,使换热器壳侧流体受离心力和向心力共同作用形成了迪恩涡二次流,且在每个螺旋周期内都存在;二次流增强了主流区域流体与靠近壁面流体的掺混,使得壳侧典型切面上中心线和折流板外缘直线的轴向速度较大;除主流中心区域外,壳侧流体在二次流的作用下具有均匀的湍流动能;二次流所在区域内,壳侧同心柱面内典型直线上换热系数相差不大,但由于二次流能使其附近区域传热面上的流体得到不断卷吸掺混,由此强化传热。     

Slug flow characteristics of gas–miscible liquids in a rectangular microchannel with cross and T-shaped junctions

The slug flow of an inert gas and two miscible liquids in microchannels has found its applications in the preparation of solid lipid nanoparticles (SLNs) by the liquid flow-focusing together with Taylor bubbles in microchannel systems, synthesis of metal nanoparticles or colloid silica in microreactors and enhancement of micro-mixing by interaction using gas bubbles in microfluidic devices. In this work, the flow characteristics of the slug flow generated by nitrogen gas and two miscible liquids (the aqueous surfactant solution and acetone or ethanol) flowing in a rectangular microchannel were investigated experimentally by using the high-speed optical imaging method. The microchannel system has a straight main channel for introducing one of the miscible liquids, a cross-junction for injecting of the other miscible liquid, and a T-junction for feeding the gas phase. The pressure drops were measured and images of Taylor bubbles and slug units at various velocities were obtained, from which other flow parameters were determined. Correlations for the velocity and length of Taylor bubbles, the bubble nose length, the bubble tail length, the liquid slug length, the maximum and minimum thicknesses of the liquid films around bubbles, as well as the pressure drop, were proposed. The calculated values of these parameters by using the correlations were compared with the experimental data. The results showed that the proposed correlations are in a good or reasonable agreement with experimental data and then expected to be available in the estimation of the slug flow parameters of the inert gas and two miscible liquids in rectangular microchannels.     

矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。     

Design and operation of gas–liquid slug flow in miniaturized channels for rapid mass transfer

The influences of operating parameters such as channel size, flow rate, and void fraction on the mass transfer rate in the gas–liquid slug flow are investigated to establish a design method to determine the parameters for rapid mass transfer. From the experimental results, the turnover index, including the slug linear velocity, its length, and the channel size that represents the turnover frequency of the internal circulation flow, is proposed. For PTFE tube in which no liquid film exists in slug flow, a master curve is derived from the relationship between the mass transfer coefficient and the turnover index. For each channel material, the Sherwood number is also roughly correlated with the Peclet number. These correlations make it possible to arbitrarily determine a set of operating parameters to achieve the desired mass transfer rate. However, the turnover index and the Peclet number include the slug length, which cannot be controlled directly. The relationship between the slug length and the operating parameters is also investigated. The slug volume mainly depends on the inner diameter (i.d.) of a union tee. At a fixed union tee i.d., the slug length is controlled through the exit i.d. of the channel connected to the union tee and the void fraction. Thus, the final slug length depends on the union tee and exit channel inner diameters. At low flow rates, the gas and liquid collision angle is significant in determining the slug length.