正弦型微通道内液-液两相流型及流动特性实验研究

采用实验的方法对不混溶的液液两相流体在不同入口结构下的正弦微通道(直通道正弦、波峰正弦和波中正弦)内液滴的流动特性进行了分析。硅油作为离散相,含有0.5% SDS的蒸馏水作为连续相,观测到弹状流、滴状流和射状流。分析了两相流动参数及不同的微通道入口结构对流型和液滴长度的影响。流型受微通道入口结构影响较大,波峰正弦微通道能够生成最大范围的稳定的流型。液滴长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大,随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低。微通道入口结构对液滴长度有影响,直通道的正弦微通道内液滴长度最短,更有利于液滴的形成。三种通道生成的液滴中,最大的液滴尺寸是最小的液滴尺寸的1.15~1.39倍,但正弦流动段对液滴速度几乎没有影响。     

微通道液-液两相流动特性实验研究

利用高速摄像机与Canny算法,以硅油为离散相,含0. 5%SDS的蒸馏水为连续相,研究了凹穴型微通道内液-液两相流动特性。结果表明,直通道内观察弹状流、过渡流、滴状流3种流型。随着毛细数的增大,液滴形成机理由挤压机制向剪切机制转变,液滴速度逐渐增大,液滴长度逐渐减小。随着连续相流量的增加,液滴形成时间逐渐减小,且挤压机制生成液滴的时间大于剪切机制。凹穴结构减弱了壁面对液滴的限制,液滴速度降低,T型交汇处压差降低,相同工况下的液滴尺寸大于对冲T型微通道的液滴尺寸。     

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。     

并行微通道内液液两相流及介尺度效应

使用高速摄像仪研究了T形并行微通道液液两相流的流型。以甘油-水溶液为分散相、含5%（质量分数）道康宁的硅油为连续相,下游通道中观察到了塞状流、液滴流、环状流和并行流4种流型,绘制了流型图及流型转变线。研究了后空腔中液滴群的形态,运用介尺度概念分析了后空腔中液滴群的行为对流量分配的影响。观察到后空腔中液滴群的挤压、松散、有序排列和并行排列等4种形态,不同形态的转变主要受两相流量比的控制。研究了两相流量比对并行微通道内流量分配的影响,以及分析了不同操作条件下影响流量分配的主导因素。在两相流量比较小时,流量分配由下游通道的流体阻力主导,而两相流量比较大时由后空腔内液滴群动力学主导。     

Y聚焦型微通道内磁流体液滴的生成与调控

利用高速摄像仪研究了截面为400μm×400μm Y聚焦型微通道内磁流体液滴在矿物油中的生成过程。以水基磁流体EMG 807为分散相,含4%表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。实验观察到了3种流型:弹状流、滴状流和喷射流。分别考察了两相流量、连续相毛细数及磁感应强度对液滴尺寸及生成过程的影响。结果表明:可通过改变两相流量及磁场调控液滴尺寸。当分散相流量不变时,液滴尺寸随着两相流量比的增加而减小。液滴尺寸随着连续相毛细数及磁感应强度的增加而减小,随着分散相流量的增加而增加。以两相流量比、连续相毛细数和磁Bond数为参数提出了一个液滴尺寸的关联式,预测值与实验值吻合良好。     

Y聚焦型微通道内磁流体液滴的生成与调控

利用高速摄像仪研究了截面为400 μm×400 μm Y聚焦型微通道内磁流体液滴在矿物油中的生成过程。以水基磁流体EMG 807为分散相,含4%表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。实验观察到了3种流型：弹状流、滴状流和喷射流。分别考察了两相流量、连续相毛细数及磁感应强度对液滴尺寸及生成过程的影响。结果表明：可通过改变两相流量及磁场调控液滴尺寸。当分散相流量不变时,液滴尺寸随着两相流量比的增加而减小。液滴尺寸随着连续相毛细数及磁感应强度的增加而减小,随着分散相流量的增加而增加。以两相流量比、连续相毛细数和磁Bond数为参数提出了一个液滴尺寸的关联式,预测值与实验值吻合良好。     

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。     

阶梯式T型微通道内液滴、气泡分散规律

采用高速摄像仪对嵌入毛细管的阶梯式T型微通道内液滴和气泡的分散规律进行研究。考察了两相流量、黏度、表面活性剂浓度等因素对分散流型及分散尺寸的影响规律。结果表明,对于液滴分散过程,表面活性剂的浓度和连续相流量决定了分散流型,随二者增大,流型从dripping流向jetting流转变。对于气泡分散过程,实验范围内仅存在squeezing、dripping流型,表面活性剂的加入对气泡分散过程影响可忽略。嵌入毛细管的阶梯式T型微通道内获得的液滴、气泡直径小于微通道直径,根据实验结果基于两相流量和毛细管数分别建立了计算液滴、气泡分散尺寸的半经验模型,模型与实验结果符合良好。     

双T型微通道气液液三相流型分布数值研究

近年来微尺度气液液三相流因其独特的流动传递特性,成为各领域的研究热点。气液液三相流动流体成分多,自由度较高,这也使得流型和分散尺寸的调控成为研究的基础和难点。为了研究双T型微通道内气液液三相体系特征流型的分布情况,对不同流速及通道入口尺寸条件下的三相流动进行了数值模拟,采用流体体积函数(VOF)模型,以辛烷为连续相,水和空气为分散相。首先考察了在辛烷入口尺寸为0.1 mm,单相流速调控下的流型演变,得到了以JG+JO为横坐标,JW为纵坐标的三相流型分布图。结果表明,当辛烷入口尺寸缩小到0.05mm时,复乳型液滴被"含有气泡的液液平行流"替代;三相交替流型特征明显,两级通道后的气泡、液柱尺寸分布也呈一定规律发展。     

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。     

十字聚焦型微通道内弹状液滴在黏弹性流体中的生成与尺寸预测

利用高速摄像仪对十字聚焦微通道内液滴在黏弹性流体中的生成过程进行了实验研究。微通道截面为600μm×600 μm 的正方形结构,采用硅油作为分散相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的聚环氧乙烷(PEO)水溶液(质量分数分别为0.1%,0.3%,0.6%)为连续相。实验观察到了弹状流、滴状流和喷射流3 种流型。对弹状流型下液滴生成过程的颈部动力学进行了研究,考察了两相流率、连续相毛细数及弹性数对液滴尺寸的影响。结果表明:弹状液滴尺寸随连续相流率、毛细数及弹性数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加,连续相弹性对液滴尺寸的影响相对较小。以油水两相流率比和连续相的毛细数及Reynolds 数为变量建立了弹状液滴尺寸的预测关联式,预测值与实验值吻合良好。     

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...     

十字交叉微通道内微液滴生成过程的数值模拟

采用VOF模型对十字交叉微通道内微液滴的生成进行三维数值模拟,获得了拉伸挤压、滴状剪切、单分散射流等单分散微液滴的生成机制以及紊乱射流、节状形变流、管状流和滑移流等两相流型,模拟与实验结果相吻合验证了模拟的有效性。液液两相流型主要受两相流速、两相界面张力以及连续相黏度的影响,发现随着连续相的流量增大,微液滴的生成尺寸减小,生成频率增大;而离散相流量的影响则相反。两相表面张力与连续相黏度分别在低连续相Ca数和高连续相Ca数条件下分别起主导作用。在低连续相Ca数(U_d<0.03 m·s^-1)的拉伸挤压和滴状剪切流流型下,微液滴生成尺寸随着表面张力系数的减小而减小,在射流条件下反而增大,微液滴的生成频率变化则相反。在高连续相Ca数(U_d>0.03 m·s^-1)下,微液滴的生成尺寸随着连续相黏度的增大而减小,微液滴的生成频率变化则相反。另外,壁面接触角在拉伸挤压流型下对微液滴生成无太大影响,但在滴状剪切和单分散射流流型下,接触角减小会导致微液滴无法稳定生成。     

T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

利用VOF模型对T型结构微流控芯片中微液滴的三维破裂过程进行了数值模拟,获得了液滴发生破裂和不会破裂两种流型。一定轴向长度的微液滴对应着一个临界毛细数,当主流流体的毛细数大于此临界毛细数时,微液滴发生破裂并分别流向T型结构两侧;否则不会发生破裂,微液滴流向任意一侧。通过多个工况的计算,拟合了临界毛细数与微液滴相对轴向长度的关系,探讨了黏度比对微液滴破裂的影响。发现黏度比越小,微液滴越易发生破裂。     

T型微通道内液滴尺寸的实验测定与关联

利用高速摄像仪对不同深宽比的T型微通道内液滴尺寸进行了实验研究。分别采用3种不同尺寸(深度×宽度)的微通道:400 μm×400 μm、400 μm×600 μm、400 μm×800 μm。以环己烷为分散油相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的蒸馏水-甘油(质量分数分别为20%、40%、60%)溶液为连续相。考察了弹状流、过渡流和滴状流流型下微通道尺寸、两相流率、物性对液滴尺寸的影响。结果表明:液滴尺寸随微通道深宽比、连续相流率、黏度和毛细数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加。用毛细数、两相流量比和通道深宽比对微通道内液滴尺寸进行了关联和预测,预测值与实验结果吻合良好。     

微通道中气-液-液三相流流型及传质研究

使用双T型微通道,以体积分数为30%的磷酸三丁酯（TBP）的环己烷溶液-乙酸水溶液为萃取体系,研究了不同油水两相流量比及油水两相总流量条件下,气相的引入及气相流量分率α对流型及传质的影响,并获得总体积传质系数k_La与油水两相流量比q、气相雷诺数Re_g、液相平均雷诺数Re_M的关系式。研究结果表明,第1个T型接口处气相的引入所带来的气相剪切作用能促进第2个T型接口处分散相液滴的形成,可使液-液并行流转化为气-液-液三相弹状流;同时,由于气-液-液弹状流具有较高的相接触面积及内循环作用,传质系数k_La得到显著提高。     

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。     

同轴微通道内管结构对液滴生成的影响规律研究

研究了同轴微通道内水-硅油体系的液滴生成过程。在不同的连续毛细数Ca_c和分散相Weber数We_d下,观察到滴出流和喷射流两种不同的流型。实验考察了两相流量、黏度和内管结构对液滴尺寸和液滴生成频率的影响。结果表明液滴尺寸随着分散相流量增加而增大,而随着连续相流量和黏度的增加而降低。此外,随着We_d的增加,流型会从滴出流过渡到喷射流,而更大尺寸的内管会更早过渡到喷射流,从而得到更大的液滴尺寸。对于液滴生成频率,其随Ca_c和We_d的增加均呈现先快速增加后变缓的趋势。当内管通道尺寸基本相同时,不同结构的内管通道在固定Ca_c时其液滴生成频率相差不大,且随着通道尺寸的减小,液滴生成频率逐渐增加。基于实验结果,建立了液滴尺寸预测模型,预测值与实验值吻合较好。     

T型微通道内两相流流型及相分离特性

以氮气和水为工作流体,在矩形截面为100 μm×800 μm的T型微通道内进行了气液两相流可视化实验,观测到弹状流、弹状-液环流、环状流、分层流和搅拌流,得到了流型图和流型转换界限.通过对比对弹状流、环状流和分层流相分离实验结果,证明在T型微通道内气液两相流相分离特性受上游流型影响.上游流型为弹状流时,气体优先从侧支管采出:上游流型为环状流时,液体优先从侧支管采出:上游流型为分层流时,气体只从其中一条支管中采出.当流型一定时,液相采出分率随着入口液体速率增加而减小,而气体速率变化对液相采出分率影响不大.