平行微通道中兩相流的隨機(jī)模型和檢測(cè)方法.pdf

1、反應(yīng)器微型化是反應(yīng)工程主要研究方向之一。微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)踐采用并行操作的“數(shù)量放大”方式，它明顯遇到各通道難匹配均勻流體的挑戰(zhàn)，尤其是多相體系，結(jié)果并沒有依通道個(gè)數(shù)復(fù)制而倍增，取而代之的是復(fù)雜的流體行為。論文致力于研究非均相微通道的放大操作，推進(jìn)微流控技術(shù)商業(yè)化。研究?jī)?nèi)容如下：
　　第一，通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)量化考查了由兩條50mm長(zhǎng)，橫截面為500μm方形的微通道以氣液岔形分布器連接的網(wǎng)絡(luò)中彈狀流型的均勻性，將其定義為各通道

2、生成氣泡的齊次程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，入口氣速或液速的增加將會(huì)縮短各通道內(nèi)氣泡生成頻率和長(zhǎng)度的分布，另一方面惡化了通道間的均勻性。通過對(duì)壓強(qiáng)場(chǎng)計(jì)算分析了流體在通道間的補(bǔ)償作用，低流速下，補(bǔ)償相對(duì)氣泡頻率來說常出現(xiàn)時(shí)滯，惡化了通道內(nèi)的均勻性，并由快速攝像機(jī)記錄的照片序列中捕捉到兩相交匯處氣柱前端的縮退現(xiàn)象，它對(duì)生成氣泡過程的干擾隨流速增加而減小。優(yōu)化“千足蟲”形式百條并行微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)明顯增加液滴形成時(shí)落下臺(tái)階的高度能產(chǎn)生均勻尺寸的液

3、滴，即便選擇高粘度油相。
　　第二，自搭建針對(duì)并行微通道的光檢測(cè)系統(tǒng)，用于給隨機(jī)模型和穩(wěn)定性研究提供合理采樣樣本。系統(tǒng)能保證長(zhǎng)期記錄，自編程序快速準(zhǔn)確計(jì)算，并依經(jīng)過光纖的次序排列給出所有氣液柱的長(zhǎng)度、頻率和速度的信息。
　　第三，建立隨機(jī)微分方程形式唯象模型描述由氣液岔形分布器連接的兩條并行微通道中流體隨機(jī)分布的規(guī)律，并由自搭建光檢測(cè)系統(tǒng)采樣確定參數(shù)。隨機(jī)方程與Fokker–Planck方程聯(lián)立推導(dǎo)出通道中各子流量的均值和方

4、差的解析解。解隨時(shí)間的變化趨勢(shì)表明某相流體將會(huì)全部流入一條微通道；當(dāng)考慮通道間相互干擾時(shí)，修正后的模型趨勢(shì)符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　第四，以氣泡生成頻率表征通道的性能，考量了入口流量、通道個(gè)數(shù)和并行方式對(duì)分層和分岔不同類型的并行微通道中操作穩(wěn)定性的影響。光檢測(cè)系統(tǒng)抽樣得時(shí)間序列通過計(jì)算最大Lyapunov指數(shù)證實(shí)了并行通道中氣泡的混沌行為，混沌程度隨通道個(gè)數(shù)或流量增加而增加。引入分形維數(shù)來量化通道的并行方式，建立避免混沌的操作區(qū)間關(guān)聯(lián)式