微通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及傳質(zhì)過程研究.pdf

1、近年來，微化工技術(shù)已成為化學(xué)工程學(xué)科中一個(gè)新的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。微化工設(shè)備的主要組成部分是特征尺度為納米到微米級(jí)的微通道，因此，微通道內(nèi)的流體流動(dòng)和傳遞行為就成為微化工系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究具有重要意義。
　　 利用高速攝像儀和測(cè)壓系統(tǒng)對(duì)水力學(xué)直徑為100μm量級(jí)的矩形截面微通道內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)型態(tài)、空隙率和壓力降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，得到了流型轉(zhuǎn)換圖和轉(zhuǎn)換線方程。結(jié)果表明，在微尺度條件下，矩形截面微通道的

2、截面深寬比對(duì)空隙率和壓力降有重要影響。分別提出了微尺度下空隙率和壓力降的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與本文及文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　 對(duì)微通道內(nèi)物理吸收過程中的壓力變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，由壓力變化計(jì)算得到了吸收過程的液相側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa。結(jié)果表明，微通道內(nèi)徑和液相毛細(xì)管數(shù)對(duì)kLa有重要影響，據(jù)此擬合得到了kLa的無量綱關(guān)聯(lián)式。本文提出的壓力法克服了滴定法測(cè)定濃度在微尺度條件下應(yīng)用的限制。利用高速攝像儀記錄了物理吸收過程中Tay

3、lor氣泡的變小過程，得到氣泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系，并由此得出液相傳質(zhì)系數(shù)kL以及兩相流的比表面積a。結(jié)果表明，微通道內(nèi)kLa較常規(guī)通道中大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)主要?dú)w因于兩相比表面積a的增大，kL則與常規(guī)管道中基本相同。
　　 采用激光顯微全息干涉法對(duì)微通道入口處Taylor氣泡形成過程中的液相側(cè)濃度分布進(jìn)行了研究。利用圖像采集系統(tǒng)對(duì)干涉條紋的變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行處理，得到了Taylor氣泡形成過程中液相側(cè)濃度分布

4、和近界面濃度邊界層厚度。結(jié)果表明，在Taylor氣泡形成過程中有較強(qiáng)的傳質(zhì)發(fā)生，液相近界面濃度和濃度邊界層厚度均隨著氣液相流速的增大而減小。
　　 基于Navier-Stokes方程和表面張力模型，利用VOF法對(duì)微通道內(nèi)Taylor流動(dòng)進(jìn)行了模擬，并考察了各物理參數(shù)對(duì)流動(dòng)過程的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。以計(jì)算得到的穩(wěn)定Taylor流動(dòng)為基礎(chǔ)，通過求解對(duì)流擴(kuò)散方程，模擬了Taylor氣泡單元內(nèi)的傳質(zhì)過程