微通道内弹状流的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-11-05 04:25

　　 微流控技术因其易于操控、高效节能和安全性高的特点,在化学、生物工程等众多领域获得广泛的应用。使用气液两相流体,通过微流控装置可以获得尺寸均匀的微气泡。气液两相在通道内的流动伴随着复杂的受力过程,研究通道内弹状流的生成过程有助于加深对气泡生成机制的理解。目前,对于弹状流的生成过程,尤其是针对气液相界面的变化研究不够完善。本文利用数值模拟和实验研究相结合的方法考察弹状流生成机制,关注相界面的变化及物理场信息,进一步得出气弹生成特性及其主要影响因素。基于以上内容,本文研究工作如下:(1)建立T型微通道气液两相流数值模型,研究弹状流生成过程。通过研究流动过程中相界面的变化,将气弹生成过程分为“两个阶段,一个时刻”。第一个阶段为回缩过程,这一过程中气相端部在表面张力的作用下快速回缩。第二阶段为连续鼓泡过程,在连续进料的情况下气弹不断生长,在液相的剪切作用下,下壁面气相不断变薄。当表面张力不能维持气相形状时断裂形成气弹,此时为“断裂时刻”。(2)流动过程伴随着压力场和速度场的不断变化。通过中心线和监测点两种方法研究压力场的变化,结果表明气相断裂导致断裂位置附近压力场急剧变化。粘性对中心线整体压力变化幅度影响最大。表面张力是气弹维持球形的原因,气弹下游相界面曲率半径小于上游相界面。根据速度场可以看出相界面是速度最大、受力情况最复杂的位置,气弹内部两个端部形成涡旋,推动气弹向下游运动。(3)通过搭建显微-高速摄像系统拍摄微流控芯片中气弹的高速生成,通过数字图像处理技术,得到气弹的生成特性(特征长度、生成周期等)。结果表明改变气液两相流率,气弹生成特性的变化范围最大。表面张力对气弹生成特性的影响最小。增加粘度能够得到尺寸更小的气泡且生成周期较短,气弹特征长度为400μm左右,气弹生成周期4.5 ms左右。(4)通过无量纲分析,发现气弹特征长度与无量纲数气液流量比_*Q,雷诺数Re,韦伯数We之间存在函数关系。经过线性回归分析得到的经验公式表明:通道尺寸不变的情况下,增加气相流率和减小液相流率均能使气弹特征长度增加,流动过程中气弹特征长度受惯性力和粘性力的影响,而表面张力的影响可以忽略。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN492
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 文献综述
    1.1 微流控技术简介
    1.2 微气泡的制备及应用
        1.2.1 微气泡制备方法
        1.2.2 微气泡实际应用
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 微通道内流动特性的研究
        1.3.2 弹状流生成过程的数值模拟
        1.3.3 微气泡特性的研究
    1.4 本文研究内容
2 T型通道数值模型的建立
    2.1 问题分析
    2.2 控制方程
        2.2.1 连续性方程
        2.2.2 动量方程
        2.2.3 体积分数方程
    2.3 网格划分与求解方案
        2.3.1 T型微通道网格划分
        2.3.2 初始条件和边界条件
        2.3.3 数值求解方法
    2.4 本章小结
3 弹状流生成过程的数值模拟
    3.1 网格无关性检验
        3.1.1 特征长度的检验
        3.1.2 相界面清晰度
    3.2 弹状流生成过程的描述
        3.2.1 气液相界面的变化
        3.2.2 液相面积的研究方法
        3.2.3 液相面积的演变分析
    3.3 流动过程压力场特性
        3.3.1 中心线压力分析
        3.3.2 监测点压力分析
    3.4 速度场及界面张力的分析
        3.4.1 速度场分析
        3.4.2 界面张力分析
    3.5 本章小结
4 弹状流生成特性的实验研究
    4.1 弹状流生成的实验方法
        4.1.1 实验材料
        4.1.2 实验系统简介
        4.1.3 实验操作流程
    4.2 两相流率对弹状流生成特性的影响
        4.2.1 气相流率的影响
        4.2.2 液相流率的影响
    4.3 液相物性参数对弹状流生成特性的影响
        4.3.1 表面张力的影响
        4.3.2 粘度的影响
    4.4 生成特性的无量纲分析
    4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2871124