平行微通道中兩相流的隨機模型和檢測方法.pdf

1、反應器微型化是反應工程主要研究方向之一。微反應器實現(xiàn)工業(yè)實踐采用并行操作的“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，結果并沒有依通道個數(shù)復制而倍增，取而代之的是復雜的流體行為。論文致力于研究非均相微通道的放大操作，推進微流控技術商業(yè)化。研究內(nèi)容如下：
　　第一，通過實驗和計算流體力學量化考查了由兩條50mm長，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。實驗結果表明，入口氣速或液速的增加將會縮短各通道內(nèi)氣泡生成頻率和長度的分布，另一方面惡化了通道間的均勻性。通過對壓強場計算分析了流體在通道間的補償作用，低流速下，補償相對氣泡頻率來說常出現(xiàn)時滯，惡化了通道內(nèi)的均勻性，并由快速攝像機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構參數(shù)，發(fā)現(xiàn)明顯增加液滴形成時落下臺階的高度能產(chǎn)生均勻尺寸的液

3、滴，即便選擇高粘度油相。
　　第二，自搭建針對并行微通道的光檢測系統(tǒng)，用于給隨機模型和穩(wěn)定性研究提供合理采樣樣本。系統(tǒng)能保證長期記錄，自編程序快速準確計算，并依經(jīng)過光纖的次序排列給出所有氣液柱的長度、頻率和速度的信息。
　　第三，建立隨機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分布的規(guī)律，并由自搭建光檢測系統(tǒng)采樣確定參數(shù)。隨機方程與Fokker–Planck方程聯(lián)立推導出通道中各子流量的均值和方

4、差的解析解。解隨時間的變化趨勢表明某相流體將會全部流入一條微通道；當考慮通道間相互干擾時，修正后的模型趨勢符合實驗現(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、通道個數(shù)和并行方式對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。光檢測系統(tǒng)抽樣得時間序列通過計算最大Lyapunov指數(shù)證實了并行通道中氣泡的混沌行為，混沌程度隨通道個數(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)間關聯(lián)式