壁面润湿性对蛇形微通道内两相流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在90°Y形汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同接触角的蛇形微通道内气液两相流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。验证模型合理性后,根据模拟计算结果,以气液相流速为坐标绘制了不同接触角下的流型图并分析其差异性及原因;同时深入研究了液相黏度和接触角对于弹状流流体力学性质的综合影响;比较了具有不同接触角壁面的蛇形微通道内两相流压降、摩擦因子、壁面摩擦系数和剪切应力的分布规律,并讨论了蛇形微通道内气液两相流动的影响因素。研究表明疏水壁面即接触角大于90°时,微通道内两相流压降、摩擦因子、壁面摩擦系数和剪切应力均低于亲水壁面微通道内相关参数,更利于流体流动。     

壁面性质对蛇形微通道弹状流传热特性的影响

采用CLSVOF (coupled level set and volume of fluid)方法,以空气和水为介质对矩形截面蛇形微通道内弹状流流动传热进行模拟研究。改变气液相流速,探讨了沿程局部Nu数的变化情况;改变接触角及相对粗糙度,分析其对微通道传热的影响;比较不同形貌粗糙元对微通道传热特性的影响;最后,基于Design-Expert平台,对蛇形微通道进行了优化设计。计算结果表明,与单相流动相比,弹状流可以强化传热,且局部Nu数随气弹的出现呈周期性变化;无滑移壁面条件下,疏水壁面一定程度上阻碍传热;粗糙壁面微通道可强化换热,且合理布置的随机粗糙元传热效果最好。     

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。     

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。     

壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La均随气、液相表观流速的增大而增大,随通道壁面润湿性的增强而增大。     

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。     

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。     

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。     

蛇形微通道内泄漏流特性

微流体系统通常具备极大的比表面积、易于控制等优势,在气-液相传质、传热、反应等方面具有良好的应用前景。本文考察了6个气液相体系在矩形截面蛇形微通道中的气液两相泰勒流流动情况以及气泡和液弹的动态行为,以气泡截面形状的几何模型为基础,得到了微通道中净泄漏流的量化方程。同时发现在较大的操作区间内,蛇形微通道对泄漏流的可控性优于直形微通道。并且详细分析了不同气液相流量、液相物性（表面张力和黏度）和气泡长度对蛇形微通道主通道净泄漏流的具体影响。     

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。     

微通道气液两相流研究进展

介绍了国内外微化工发展背景及发展现状,微通道内气液两相流流动气泡特性和传质特性。微通道中(横向及竖向微通道)气液两相流流型划分主要有泡状流、弹状流、环状流、搅拌流等。气泡形成过程中流体挤压力对气泡表面进行破坏致使分离,表面张力则在整个过程中维持着气泡形状及长度。着重介绍了微通道内气泡形成过程及经验长度计算,比较了不同研究者提出的经验公式中气液相表观速度比和气泡长度的关系,得出气泡长度均随气液相表观速度比的增加而增加,但依据研究者实验条件不同增加趋势也不尽相同。传质方面,研究基本集中在气液相比表面积较大的泡状流、环状流上,而气液表观速度、当量直径、压强等都会影响传质系数。微通道气液两相流虽然在传热、传质方面有很大的应用前景,但仍存在研究手段单一、理论数据不完善等问题,指出在未来的研究中研究者们要扩大领域范围,为传质传热的实际应用提供更可靠的理论依据。     

T型微通道内液-液两相流流型研究

论文建立了T型微通道内液-液两相流动理论模型并采用格子Boltzmann方法进行了数值模拟,研究了T型微通道内液-液两相流型形成机制及其影响因素。采用已有文献中的实验数据验证了模型的合理性。研究结果表明,T型微通道液-液两相流流型主要由两相入口流量比和离散相We数决定,通过调整入口流量比和离散相We数,可获得弹状流、离散液滴、平行流等经典流型。离散相的相对长度受连续相毛细数Ca影响明显。当连续相毛细数较大,离散相形成液滴,离散相相对长度随连续相毛细数Ca呈单调减少趋势。     

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。     

对称分支并行微通道中气液两相流的均匀性规律

采用高速摄像系统研究了对称分支形并行微通道内气液两相流及弹状气泡均匀性规律。实验中分别采用含0.3% SDS的甘油-水溶液与氮气作为液相和气相。观察到弹状流和泡状流两种流型,作出了由两相操作条件构成的流型图及流型转变线。结果表明,气泡非均匀性主要由两微通道内流体之间的相互作用、下游通道中流体动力学的反馈作用以及通道制造误差造成。随液相黏度增大,气泡均匀性变好;在高液相流量以及低气相压力下操作,气泡尺寸分布更易达到均匀。基于压力降守恒原理和微通道内气液两相流阻力模型,构建了两通道中气泡尺寸的预测模型。     

微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响

通过对玻璃微通道内壁表面进行羟基化处理、溶胶-凝胶法纳米SiO2颗粒沉积以及疏水分子自组装等改性处理,制备得到了具有不同内壁表面润湿性和粗糙度的微通道;系统研究了微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响。结果表明,在微通道内表面浸润性相同(同为亲水或疏水)时,粗糙表面会比光滑表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越大;当微通道内表面粗糙度相同时,亲水表面会比疏水表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越显著;相比之下,微通道内表面浸润性对其内流体流动的影响比其粗糙度的影响更大。研究结果可以为微流动系统或微流体机械的设计和应用提供指导。     

90°Y型汇流下小曲率矩形截面蛇形微通道气液两相流动特性

以空气、去离子水为气液两相工质,采用直角Y型混合器,在矩形截面为800μm×100μm的蛇形微通道内利用高速摄像仪进行了可视化实验。通过改变气液两相流速,实验中发现了一些不同于直微通道的特殊流型。随着流动的进行,气戟、液塞的长度尽管在每一水平段变化比较微弱,但在整体上二者有增大的趋势。发现Qian等对当前气戟长度可以进行较好的预测。基于环状流,对Cioncolini等提出的空隙率预测模型进行了验证,发现该模型对蛇形结构也具有一定的意义。     

微通道内液-液泰勒流传热的计算流体力学模拟

微通道内的液-液两相流型在低流速时以泰勒流为主,本文使用计算流体力学方法,对微通道内液-液泰勒流的传热特性进行了研究。首先考察了分散相流速、物系和管径对微通道壁面温度的影响。结果表明:分散相流速和物系热导率增大使得微通道壁面温度降低,管径的改变对微通道壁面温度影响较小。然后针对当量直径为0.5mm的微通道内工作介质为甲苯和水的两相泰勒流模型,考察了微通道壁面剪切力、界面涡度和努塞尔数对壁面和内部温度的影响,并与文献中气-液两相泰勒流的传热性质作了比较。结果表明:壁面剪切力和界面涡度对管壁和界面温度的波动性变化有一定影响,壁面剪切力和界面涡度的波峰往往出现在温度的波峰附近,并且有一定的时间滞后性。甲苯-水两相泰勒流动下的壁面努塞尔数比气-液两相流大得多,液弹单元的平均努塞尔数是相同条件下单相流体流动的1.3倍。     

蛇形微通道气液两相流型的数值研究

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法,以空气和水为介质对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,系统地研究了表面张力,液相黏度,壁面接触角及通道截面形状对蛇形微通道内不同流型间转换界限的影响,并绘制了不同表面张力、液相黏度及接触角下的流型图。最后,将计算结果与相同当量直径不同截面微通道内两相流流型图进行对比,分析截面形状及高宽比对流型间转换界限的影响。这些基本规律为微通道的系统设计提供了一定依据。     

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。     

气体入口角度和截面宽高比对微通道内泰勒气泡行为的影响

微通道的几何参数对于气泡或者液滴在其中的形成过程有着显著的影响。采用流体体积法(VOF法)研究了不同气体入口角度以及不同通道截面宽高比对微通道内气液两相流流动状况的影响。在所研究的操作范围内,各个微通道内的两相流流型均为泰勒流,并且在大多数情况下气泡长度分布均匀。在通道截面宽高比为0.5～2条件下,60°的气体入口角度有利于产生较短的气泡;如果通道截面宽高比达到4或8时,45°的气体入口角度更有利于形成较短的气泡。此外,随着通道截面宽高比的增大,通道内气泡的量纲1长度也随之增大,气泡长度分布的均匀性也逐渐变差。当通道截面宽高比增大到8时气泡长度分布变得很不均匀。