微通道内气泡生成及并行放大研究

发布时间：2020-03-24 21:24

【摘要】：微化工技术是化工过程强化的重要手段之一,因为其具有高传质性能、安全性好和可以数目放大等特点而受到广泛关注。本文对典型构型微通道内气液两相流型、气泡生成过程以及并行微通道内两相流动的稳定性和均匀性进行了实验研究。利用高速摄像仪观察了十字聚焦型微通道内高黏度的甘油-水溶液中氮气气泡的生成过程,研究了气泡体积的变化规律和动力学机制。结果表明,气泡生成过程分为膨胀和破裂两个阶段,每个阶段气泡体积随时间均呈线性增大,但是破裂阶段的变化率总是大于膨胀阶段,每个阶段变化率由毛细数和气液流量比决定,得到了生成气泡最终体积与毛细数和气液流量比的关系;膨胀阶段和破裂阶段的转折点出现于气泡颈部宽度达到最大时,且转折点的无量纲时间仅与气液流量比有关。本文还对气泡破裂时气液界面动力学规律进行了实验研究。观察到了两个完全不同的气泡破裂阶段:颈部半径随剩余时间呈幂指数关系的挤压阶段,以及颈部半径与时间呈线性关系的最终破裂阶段;在一定的气相流率下,幂指数关系中的指数随着黏度的增大而增大,线性关系中的斜率随黏度的增大而减小,并且两阶段的颈部半径变化规律与液相流率无关。对不同构型的并行放大微通道内气泡生成发展过程进行了研究,发现了气液两相流率、液相黏度与通道构型对气泡生成的稳定性和均匀性等介尺度机制的影响。研究表明,气泡生成的过程随着气相流率、液相流率和液相黏度的增大逐渐趋于稳定;气泡生成的稳定性随着通道构型由高到低依次为无空腔、后空腔和前空腔。两通道内生成气泡长度的均匀性随着气相流率和液相黏度的减小而增大,并且随着液相流率的增大而增大;气泡长度的均匀性随着通道构型的由高到低依次为前后空腔、前空腔、后空腔和无空腔。
【图文】：

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微化工系统包括微反应、微传热、微混合、微分析和微分离等，其中微反应是核心部分。与传统反应器相比，微反应器具有比表面积大、传递效率高、选择性强、反应迅速、设备安全性高、占地面积小和易于直接放大等优点，可实现过程连续、高度集成、分散与柔性生产[2]。微通道反应器是目前应用最广泛的微反应器，材料包括玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，通过机械加工的方法制成各种结构的微通道。微化工装置内受限多相流动力学是微化工技术的核心问题之一，如微通道内气泡或液滴的生成、破裂和聚并等现象，，其中气泡是微流体多相流中应用较为广泛的一种流型。微型气泡在医疗[3]、食品[4]、材料[5]等方面有着广泛的应用。1.1 微通道内气泡（液滴）的生成如图 1-1 所示，常用的微通道构型有：T 型、十字聚焦型和流体同轴型[6]。众多学者对微通道内气泡生成过程进行研究发现：通道构型、流体流速以及流体的物理性质均会对气泡生成过程造成影响。

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图 1-2 并行微通道气液两相分布结构示意图Fig.1-2 Schematic representation of gas-liquid flow distribution over parallel microchanne(a) branching (b) internal distribution (c) external distribution.1 微通道内气液两相的流型微流体装置的快速发展引起了全面了解微通道内流动特征以推动其设程控制的需求，其中气液两相流是应用最多的流动方式之一，微通道内气流型是研究两相分布和传热传质的基础。宏观尺度下气液两相流型主要为、弹状流、环状流和滴状流，而在微通道内，由于尺寸远小于传统反应器受力不同，呈现的流型也有一定的差异。在微流体装置中由于通道构型和同，实验所用流体物性和操作条件的差异，观察到的流型也不尽相同。Coleman 等[40]观察了截面为圆形和矩形的通道内空气和水混合物的流型的当量直径为 1.3-5.5mm，气体流速为 0.1-100m·s-1，液体流速为 0.01-10m·验中所观察到的流型包括：泡状流、分散流、长气泡流、弹状流、分层流
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ021

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