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微通道中液液两相流动与混合过程的数值模拟

作　者: 王佳男
导　师: 王嘉骏；冯连芳
学　校: 浙江大学
专　业: 化学工艺
关键词: 微通道液液两相流混沌混合 CFD数值模拟 VOF
分类号: TQ027.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微流体系统在传质、传热以及化学反应等方面具有显著优势,近年来在生化、医药等诸多领域得到广泛应用。作为微流体系统中重要的组成部分,微混合技术也逐渐成为国内外学者研究的热点之一,其中尤以基于液液两相流的微混合技术最具应用和发展潜力,但其流动及混合规律尚不明确。本文针对液液两相流,从通道入口的扰动作用、弯曲微通道中液滴内的混合机理以及微液滴内的混沌混合现象三方面着手,深入研究了微流体的流动及混合规律。首先,采用基于体积分数函数(Volume of Fluid, VOF)模型的CFD数值模拟方法,模拟T形微通道入口处液液两相弹状流的流动过程,并采用标量方程(user define scalar, UDS)去及示踪剂法,考察了分散相加入产生的扰动作用对连续相混合的影响。其次,采用标量方程法与离散相模型(Discrete Phase Model, DPM)法,考察了微液滴在弯曲微通道中运动时内部组分的混合过程,并比较了两者的区别。最后,采用基于DPM模型的CFD数值模拟方法,构建了二维理想液滴模型,研究其在弯曲微通道中运动时产生的混沌混合现象。论文取得了以下成果：1)采用VOF模型能准确地模拟微通道内液液两相流相界面的演变过程。标量方程法能够准确地模拟带扩散的混合过程,而离散相模型法则能更准确地模拟纯对流作用的混合过程。2)液液两相流中分散相液滴的生成,对原有连续相的层流混合具有扰动效果,促使组分产生径向混合,混合过程得到强化。其扰动机理主要可分为两步：分散相液滴处于长大阶段时,连续相前端受液滴阻碍,会产生径向的速度梯度,继而产生径向混合；分散相油滴处于生成阶段时,受分散相的挤压,连续相流道会变窄,促使混合组分进一步产生径向混合。分散相分率(εd)越大,扰动对混合的强化效果越好。3)弯曲微通道对液滴内的混合过程具有强化作用,具体的混合强化机理可分成两步：当液滴在直管段时,受到大小相等的壁面剪切力作用,液滴内部会形成一“主”两“次”三对两两对称的循环流,对称的循环流能够加快液滴内轴向混合过程；当液滴在弯管段时,不相等的壁面剪切使得循环流不再保持对称,径向混合效果获得较大提高。此外,循环流使得混合组分界面产生拉伸折叠作用,强化了扩散过程。对于小尺寸液滴(Ld/w<2.0),影响混合的因素主要为循环流周期,液滴越长循环周期也越长,所需混合路程随液滴长度缓慢增加；对于大尺寸液滴(Ld/w>2.0),影响混合的因素主要为混合组分的再分布,此时不对称循环流不足以使混合组分产生较高的轴向分布,所需混合路程快速增加。4)二维理想液滴模型的研究表明：弯曲微通道中运动的液滴内部流线会发生交错,继而引发产生混沌流。庞加莱截面(Poincare map)及李雅普诺夫指数(Lyapunov index)都显示了混沌混合现象的发生。低雷诺数范围内(Re≤100),雷诺数越大混沌混合效果越差；液滴的运动周期(乃越大、单位长度内的周期性弯折结构越少、弯通道结构的顺逆交替程度越低,混合效果越差。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-9
Abstract  9-14
插图及附表清单  14-18
1 前言  18-20
2 文献综述  20-48
  2.1 微混合器及微流体混合  20-27
    2.1.1 微流体系统简介  20-21
    2.1.2 微混合器和微流体混合技术  21-26
    2.1.3 混沌混合  26-27
  2.2 微通道内两相流流型  27-33
    2.2.1 气液两相流  27-30
    2.2.2 液液两相流  30-33
  2.3 微通道内两相流混合  33-37
    2.3.1 气液两相流  34-35
    2.3.2 液液两相流  35-37
  2.4 微通道内两相流研究方法  37-46
    2.4.1 实验方法  37-38
    2.4.2 数值模拟方法  38-46
  2.5 论文研究内容及意义  46-48
3 液液两相流入口扰动过程研究  48-64
  3.1 微混合器的结构  48
  3.2 实验方法  48-50
    3.2.1 实验装置及步骤  48-49
    3.2.2 实验试剂及其物性参数  49-50
  3.3 数值模拟方法  50-53
    3.3.1 计算区域及网格划分  50
    3.3.2 控制方程及求解策略  50-53
    3.3.3 边界条件及流体物性  53
  3.4 实验及模拟结果与讨论  53-62
    3.4.1 微液滴形成过程  53-55
    3.4.2 入口压力变化  55-57
    3.4.3 分散相分率对液滴尺寸的影响  57-59
    3.4.4 入口扰动的混合强化过程  59-61
    3.4.5 分散相分率对混合的影响  61-62
  3.5 小结  62-64
4 液液两相流液滴内混合机理研究  64-88
  4.1 微通道的几何结构  64
  4.2 数值模拟方法  64-67
    4.2.1 计算区域及网格划分  64-65
    4.2.2 控制方程及求解策略  65-66
    4.2.3 边界条件及流体物性  66-67
  4.3 模拟结果与讨论  67-86
    4.3.1 模型验证  67-68
    4.3.2 微液滴形成过程  68-69
    4.3.3 入口压力变化  69-70
    4.3.4 分散相分率对液滴尺寸的影响  70-72
    4.3.5 微液滴内混合状况  72-74
    4.3.6 直通道段混合机理  74-77
    4.3.7 弯通道段混合机理  77-78
    4.3.8 分散相分率对混合的影响  78-81
    4.3.9 弯管方向对混合的影响  81-83
    4.3.10 离散相模型法与标量方程法比较  83-86
  4.4 小结  86-88
5 理想液滴内混沌混合现象研究  88-110
  5.1 数值模拟方法  88-91
    5.1.1 模型建立与网格划分  88-90
    5.1.2 控制方程与边界条件  90-91
  5.2 模拟结果与讨论  91-109
    5.2.1 理想液滴内流线  91-92
    5.2.2 混沌混合研究方法  92-97
    5.2.3 雷诺数(Re)的影响  97-100
    5.2.4 液滴无量纲尺寸(L_d/w)的影响  100-104
    5.2.5 液滴运动周期(T)的影响  104-106
    5.2.6 弯管方向的影响  106-109
  5.3 小结  109-110
6 结论与展望  110-113
  6.1 结论  110-111
  6.2 展望  111-113
参考文献  113-124
作者简介及攻读硕士期间主要研究成果  124

微通道中液液两相流动与混合过程的数值模拟

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