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Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展

简要阐述了计算流体力学(CFD)中流体体积函数法(VOF)的概念和原理。重点综述了采用CFD方法研究微通道中两相Taylor流的最新进展,包括两相流速度场、气泡或微液滴的生成、发展等流动特性、壁面处液膜厚度的影响因素、微通道内的传质传热特性等。最后展望了微通道内多相流CFD数值模拟的研究重点和应用方向。     

微通道内气液两相Taylor流数值模拟

本文采用FLUENT软件对T型微通道内气液两相Taylor流进行模拟,得到了各物理参数对Taylor流的影响规律。在此基础上,采用最小二乘法进行拟合,得到了可以更准确预测T型通道内气液两相Taylor流气泡和液柱长度的经验关联式。     

液-液多相流微萃取的数值模拟和实验分析

运用Comsol软件对带有十字形和圆柱形辅助结构的微通道内两相层流进行了有限元分析。同时，以硫酸铜溶液为水相，被260^#溶剂油稀释30%的DZ988N萃取剂为有机相，并以光滑微通道为参照，开展了相关的液-液萃取实验。当给定流速在(0.5×10^-3) ~(5×10^-3) m/s范围内，圆柱形辅助结构能够促进水相中Cu²⁺的扩散，萃取效率最高，均能达到90%以上；而十字形辅助结构时而促进时而抑制水相中Cu²⁺的扩散，萃取效率不稳定，最高89.8%，最低74.6%。实验中，微通道内的两相为层流，如不考虑化学反应，Cu²⁺的扩散则仅依靠其浓度梯度差，扩散效率可表征萃取效率。有限元计算得到的扩散效率与实验获取的萃取效率值吻合良好，进一步得出了两相流场分布等流动特征，以解释不同辅助结构下的扩散效率差异。     

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...     

微通道内液-液两相流流型及传质的研究进展

微通道内液-液两相流流动在微化工系统中占有重要的地位,了解微通道内液-液两相流体流动和传质规律对推动其工业化应用有重要作用。本文以微通道内液-液两相流系统为研究对象,简述了不同工况下微通道内液-液两相流流型和混合传质效率,分析了微通道特征、流体性质和流体流动速度等对流型形成和传质效率的影响。指出目前对于微通道内液-液两相流的研究多处于定性研究,定量研究仅针对某一体系展开,所得结果具有一定的局限性。关于微通道内液-液两相流传质研究实验较多而数值模拟方法相对较少,接下来的研究工作中应该考虑建立微通道内液-液两相流基础研究的数据库,通过分析大量的数据获得有效的流型划分准则和相关经验式以此推动微通道内液-液两相流的工业化应用。同时在传质研究过程中应研究开发相应的数值模拟模型,保证实验和数值模拟相结合,提出有效的传质效率评价机制。     

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。     

大深宽比双T形微通道内液-液两相流可视化研究

通过高速摄像对水力直径0.176mm、深宽比2.4的双T形矩形微通道内的液-液两相流动进行了可视化实验研究。改变连续相（硅油）和分散相（水）的流量比,记录分析了微通道不同部位油-水两相流的流型和流型发展演化情况。实验结果表明,在微通道上游T形部位的油-水两相流型主要包括滴状流、弹状流、波平行流和平行流;在微通道的中间部位,绘制了基于水和硅油量纲为1韦伯数的流型图,并将其与相关文献进行了比较。同时,发现微通道内液塞及液滴的长度（量纲为1）与油/水流量比之间存在线性关系,液塞/液滴速度比两相混合物表观速度大,建立了能够准确描述液塞/液滴运动速度的实验拟合公式。最后,研究了液滴在微通道下游T形部位的行为,观察到断裂和不断裂两种模式并进行了分析,给出了划分断裂与否的流型图。     

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。     

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.     

Nonlinear time‐series analysis of optical signals to identify multiphase flow behavior in microchannels

This study provides an insight into the instability and irregularity of multiphase flows in microchannels. Using a homemade optical measuring system, time series related to two‐phase flow dynamics under different operating conditions, fluids, and channel lengths were collected and analyzed via a nonlinear characteristic parameter, Kolmogorov entropy (K_E). Our results reveal that higher K_E corresponds to unstable flow behavior, while lower K_E refers to steady flow behavior; higher K_E values appear at comparatively low or high gas flow rates, and most Taylor flow regime appeared at proper operating conditions with small K_E. An equation derived based on the definition of K_E is proposed to better understand K_E characteristics, which include bubble break‐up impact and gas/liquid flow rate ratio. Predictions from the proposed analytical equation agree with experimental results, suggesting that the equation effectively identifies unstable flows and can be used to ensure stable and predictable multiphase flows in microchannels. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 2378–2385, 2017     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型(Based、Johnson)和径向分布函数模型(Lun、Syamlal O’Brien)对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;Syamlal O’Brien模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,BasedLun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。     

空化射流流场数值模拟的研究进展

空化射流因具有高效能、无污染等优点而被广泛应用,但是由于其流场结构和水动力学性能过于复杂,使得对其的应用受到限制,为进一步认识和研究空化射流流场特性,对空化射流数值模拟过程中的空化模型、数值计算方法和流场特性影响因素的研究进行了综合论述.阐述了数值模型中不同的空化模型、湍流模型和多相流模型各自的特点、适用条件及存在的问题;对比分析了拉格朗日和欧拉数值计算方法在空化射流模拟中的应用,以及空化射流自身特点对计算方法的要求;对空化射流流场特性的影响因素研究情况进行了综合概述,使复杂的空化射流流场结构有更加清晰的表现,为以后的研究与应用提供了依据.通过以上论述,对目前空化射流数值模拟研究进展中存在的问题进行了分析,并根据所提出的问题,对以后的研究方向提出展望,有助于以后在空化射流流场的数值模拟研究中取得进展.     

CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

微通道内屈服应力型流体的流变特性及多相流研究进展

屈服应力型流体（YSFs）是一种典型的非牛顿流体,因其丰富的流变特性被广泛关注。屈服应力是高浓度的粒子分散系统和凝胶状物质（多相乳液、微胶囊、3D打印复杂结构、药物输送凝胶等）的基本特征。本文对微通道内简单屈服应力型流体的流动特征和流变行为,及其流变性对多相流系统的影响进行了综述,剖析了受限空间内流体流动与流体流变性,及多相流动力学和界面现象的耦合机制,并对亟需推进的研究方向进行了展望。为微通道内屈服应力型流体的数值模拟、实验研究和应用提供参考。     

微通道内CO2吸收与传质及资源化利用的研究进展

由于在流体流动、传质、传热及反应等方面良好的调控能力,微化工技术成为化工学科重要的发展领域。综述了近年来以CO₂应用为背景的微化工系统中的多相流与传质的研究进展。从流体流动和传质机理出发,分别介绍了物理吸收和化学吸收过程的传质规律。总结了二氧化碳资源化利用的应用进展。展望了微化工技术在二氧化碳吸收与传质方面的发展前景。     

水平管路油气混输模拟技术

以双流体模型为基础,建立了适用于水平油气混输管路的瞬态数学模型,并讨论了模型的求解以及分层流的结构方程对计算结果的影响。在大型多相流实验环道上进行了大量的混输瞬变流动过程实验,利用实验和现场数据对瞬态模型模拟得到的混输管道中的平均持液率、压降以及瞬变过程的入口压力、持液率等流动参数等进行了验证和计算,结果表明建立的模型可以比较准确地预测油气混输管路中的流动参数。