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.     

基于抛物线形气-液界面的超疏水微通道减阻特性

针对超疏水表面微通道中的流动减阻特性,基于抛物线形气-液界面假设,采用VOF模型模拟了微通道中的二维层流流动,分析了流动和结构参数对减阻效果的影响。结果表明,含矩形微坑的超疏水表面微通道具有显著减阻作用,f Re随Reynolds数增大而略有提高,量纲1压降比随入口速度增大而略有下降。当增大微坑面积比或减小微通道高度时,f Re减小,量纲1压降比增大;且微通道高度越小,微坑面积比对f Re的影响越显著。随抛物线形高度增加,压降比和滑移长度均线性减小,而f Re则线性增加。当微坑深度大于其宽度的40%时,压降比和滑移长度趋于定值。微坑形状对减阻效果的影响依次是燕尾形、矩形、梯形和三角形。     

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。     

T形微通道内环状气液两相流相分离

以氮气为气相工作介质,以不同表面张力的液体（纯水、0.01%SDS溶液、0.5%SDS溶液、乙醇）为液相工作介质,对矩形截面为100 μm×800 μm的T形微通道内的气液环状流进行了相分离可视化实验。实验结果表明：环状流液相在侧支管中采出占优势。液相采出分率主要集中在0.25～0.65之间;气相采出分率在0.1～0.8,液相采出分率的增长幅度随着气相采出分率增加而变大。当气相表观速度一定时,液相采出分率随着两相流液体速度的增加而降低;当液体表观速度一定时,气体速度变化对液相采出分率影响不大;当两相的表观速度一定时,液相采出分率随着液体的表面张力降低而减小。所得实验数据与其它尺寸的数据进行比较,发现管径尺寸对环状流相分离有较大影响。     

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。     

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。     

超疏水/亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究

用激光烧蚀方法在抛光后的铜上制备出四种无需涂覆修饰即可获得超疏水/亲水性的规则微阵列结构表面。基于流动可视化与温度数据结果,分析了表面浸润性和过冷度对流动沸腾传热性能的影响,与经典汽化核心密度关联式进行了对比。结果表明：疏水表面可削弱单相对流传热,大幅强化沸腾传热,最大传热系数提高了75.5%,沸腾起始点提前3.5 K,且汽化核心数目较裸铜表面提高了5倍以上,但有较低的临界热通量。超亲水表面可增强单相对流传热、小幅度提升流动沸腾传热。对比亲水表面与疏水表面的气泡生长过程,发现疏水表面尾端气泡容易汇聚,生长周期较长;而亲水表面没有发生明显的气泡汇聚行为,气泡生长周期较短。     

微通道气液两相流型及界面面积测定

以氢氧化钠水溶液及纯二氧化碳气体为工质,研究了石英玻璃微通道中的气液两相流流型及两相界面面积.实验中可清晰分辨的流型为弹状流(Slug),弹状-环状流(Slug-annular)及搅拌流(Churn),由实验观测的结果建立了相应的流型图并与Triplett实验结果进行了比较,结果表明高液相表观流速对流型转换影响较大.在微通道中可以实现比较高的气液两相界面面积,实验范围内气液两相界面面积高达5 070 m2/m3.两相界面面积随气相表观流速的增加而增加,而液相表观流速对两相界面面积的影响则不显著.相对于弹状流区域,在弹状-环状流及搅拌流区域可以实现比较高的传质界面面积.搅拌流区域气液两相界面面积可以采用气液表观雷诺数进行很好关联,其绝对平均偏差仅为3.76%.     

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...     

深宽比对微通道内气液二相流空隙率的影响

微通道内气液二相流的空隙率对管路内热质传递具有重要影响。利用高速摄像仪对4种不同深宽比的矩形截面微通道内空气-水二相流的流型进行实时观测和记录,对二相流型图进行了分析和计算,得到了不同流型时的空隙率。4种微通道尺寸(深度×宽度)分别为100μm×200μm,100μm×400μm,100μm×800μm,100μm×2 000μm。结果表明:对于弹状流,空隙率随着微通道截面深宽比的减小而降低,当流型为液环流时,空隙率随着微通道截面深宽比的减小而增加。在实验基础上,将截面深宽比作为参数提出了一个新的空隙率预测模型,计算结果显示:模型能对矩形截面微通道内气液二相流动空隙率进行很好的预测。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

水力学聚焦微通道中气液两相流动的数值模拟

采用计算流体力学方法,考察了水力学聚焦微通道中气、液两相的流动状态。气、液两相在微通道中呈膜状流动,成膜过程可划分为3个阶段,液相表面压力、黏性力和表面张力在该过程中不断变化。考察了两相入口压强对两相流量和膜厚的影响,模拟结果显示:保持两相压强比值不变,同时改变两相压强,影响不显著;改变两相压强比值,影响显著。     

开孔阳极铝电解槽熔体中气液两相流数值模拟

引言目前的电解铝生产工艺以氧化铝为原料,在直流电的作用下,熔融电解质中的氧化铝在高温环境下与碳阳极发生复杂的电化学反应,主要在阳极底掌析出二氧化碳[1]。二氧化碳气体从阳极底掌产生到逸出电解质表面的过程中,一方面会不断搅动电解质熔体,阳极气泡与电解质相互发生复杂的传热传质作用,有利于氧化铝颗粒在高温熔体中均匀快速地溶解和扩散运动;另一方面,由于     

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。     

连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。