微流道粗糙壁面对流动阻力和控制的影响

研究了3种粗糙单元(三角形、矩形、三角形与矩形交错混合)壁面对微流道内流动和摩擦阻力的影响。利用二维模型模拟了量纲一泊肃叶数与粗糙单元的几何特性和分布的关系。结果发现:在模拟条件下,粗糙壁面摩擦阻力(泊肃叶数)总是大于光滑壁面的摩擦阻力;壁面粗糙单元的高度对摩擦阻力的影响较大,可有近乎指数型的增长,粗糙单元的长度和间隔的影响居中,而雷诺数的影响较小。说明壁面粗糙度可有效改变槽道内的流动状态,增大混合效率。     

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。     

管道表面润湿性对层流流动阻力的影响

基于建立的小型循环管路实验平台,实验研究了自来水、乙二醇和26#白油分别在304不锈钢管、有机玻璃管、聚丙烯管(PP管)和聚四氟乙烯管(PTFE管)内层流流动的阻力特性。通过测量不同流量下的压降,计算得到了摩阻系数和泊肃叶数随雷诺数的变化关系以及相同雷诺数下摩阻系数随接触角的变化关系,同时采用接触角测定仪分别测量了3种液体在4种管道表面的接触角,讨论了管道表面润湿性对流动阻力的影响规律。实验结果均表明,管道表面润湿性对流动阻力产生了一定的影响:在相同雷诺数下,随着液体在管道表面接触角的增大,液体的泊肃叶数和摩阻系数均呈现减小的趋势;疏液管道表面润湿性对摩阻系数的影响大于亲液管道,并且在雷诺数较小时这种现象表现得更加明显。     

板式微通道的液-液两相分离作用研究

构造板式微通道用于互不相溶的液-液两相分散体系的连续快速分离。通过改变上板的材料可以构造GS-PTFE、SS-PTFE和PTFE-PTFE 3种类型的板式微通道。萃取后产生的油水分散体系在微通道中通过与通道上下壁面的相互作用实现油水两相的快速分离,分离后的油相从微通道的油相出口流出,水相从水相出口流出。微通道的分离效率与微通道的高度、液-液分散体系在通道中的体积流率、微通道与液-液分散体系的接触时间以及微通道的类型有关。高度为100μm的GSPTFE型微通道在体积流率低于4.8 m L/min的条件下可以实现油水两相的完全分离,其分离效率为100%。相比于传统的重力沉降分离方式,板式微通道极大地节约了液-液两相分离的时间,提高了工作效率。     

微通道内液液两相流压力降的测量和关联

微通道内液液两相流的压力降对系统内部热量和质量传递具有重要影响。针对环己烷-含0.3%SDS(十二烷基硫酸钠)蒸馏水液液两相系统,利用高速摄像仪对2种不同深宽比的矩形截面直管微通道内的液液两相流进行了实时观测和记录,用压差变送器测定了其在弹状流型下的压力降。微通道尺寸(深度×宽度)分别为400μm×600μm,400μm×800μm。结果表明:弹状流型下的压力降随系统各相流率、毛细数、雷诺数、连续相黏度的增加而增加,随两相速度比值的增加而减小,且当毛细数Ca>0.015或雷诺数Re>20时,压力降随着通道截面深宽比的增加而增加。基于实验结果,修正了均相流模型,提出了新的压力降预测关联式,模型计算结果与实验值吻合良好。     

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。     

微通道内醇胺水溶液吸收CO2的压力降研究

采用高速摄像仪对400μm×400μm T型微通道内N-甲基二乙醇胺(MDEA)与单乙醇胺(MEA)混合醇胺水溶液(含0.2%SDS)吸收CO_2过程的气液两相流压力降进行了实验研究。观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流、弹状-环状流流型。考察了弹状流型下气液两相流流量、醇胺溶液浓度、气液雷诺数与增强因子对压力降的影响。结果表明:压力降随着气液两相流量、气液雷诺数及增强因子的增大而增大。当Q_G﹥80 mL/h时,压力降随醇胺浓度的增大而减小。以分相流模型为基础,提出了微通道内伴有化学吸收的气液两相流压力降预测模型,平均偏差为8.46%,模型计算值与实验值吻合良好。     

微通道内铜离子反萃取过程

考察了油相铜离子负载浓度、硫酸浓度、油水两相体积比和温度对微通道内铜离子反萃取过程的影响.实验过程中水油两相表观速率分别为0.014～0.560 m/s和0.014～0.230 m/s,最高反萃取效率可达0 87,表观总体积平均传质系数为0.02～0.12 s-1.因反萃取时间短未达到平衡,故微通道内整个反萃取过程由传质过程与化学反应共同控制.     

油水两相分散流液滴粒径预测模型

油水两相分散流的液滴粒径及其分布在很大程度上影响管路压降等流动参数,研究液滴粒径预测模型对揭示油水两相流的流动特性具有重要意义。通过研究湍流脉动动能与乳状液的界面能之间的平衡、管流径向速度脉动与摩擦速度之间的关系以及泵的剪切作用,建立了油水两相管流中分散相液滴粒径预测模型;在水平管道上对油水两相分散流的液滴特性进行了实验研究,采用高速摄像和显微镜拍摄获得液滴数据,探索含油率、流量和温度等因素对粒径的影响。预测模型计算结果与不同流量、温度和含油率条件下的实验数据吻合较好。根据预测模型计算了有泵和无泵情况下分散流液滴粒径,发现泵的剪切和扰动作用使得分散液滴具有更小的粒径,泵对液滴粒径及其分布起到了显著作用。     

基于最小二乘支持向量机和遗传算法的热式油水两相流含油率建模

利用铂电阻基于流体传热方程测量油水两相流的含油率。为了提高油水两相流含油率的测量精度,研究了油水两相流含油率与电热器前后铂电阻的温差和油水总流量之间的关系,提出用最小二乘支持向量机和遗传优化算法对含油率进行建模,将温差和油水总流量作为模型输入量,含油率作为输出量,通过遗传算法优化最小二乘支持向量机的参数,得到了含油率的最优模型,与含油率理论模型相比,基于最小二乘支持向量机和遗传算法的含油率模型,较好的实现了含油率测量,含油率在5%~60%范围内,含油率的平均测量误差为0.96%。