微通道內氣液兩相流動及傳質過程研究.pdf

1、近年來，微化工技術已成為化學工程學科中一個新的發展方向和研究熱點。微化工設備的主要組成部分是特征尺度為納米到微米級的微通道，因此，微通道內的流體流動和傳遞行為就成為微化工系統設計和實際應用的基礎，對其進行系統深入的研究具有重要意義。
　　 利用高速攝像儀和測壓系統對水力學直徑為100μm量級的矩形截面微通道內氣液兩相的流動型態、空隙率和壓力降進行了實驗測定，得到了流型轉換圖和轉換線方程。結果表明，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測模型，預測結果與本文及文獻報道的實驗結果吻合良好。
　　 對微通道內物理吸收過程中的壓力變化進行了實驗測定，由壓力變化計算得到了吸收過程的液相側體積傳質系數kLa。結果表明，微通道內徑和液相毛細管數對kLa有重要影響，據此擬合得到了kLa的無量綱關聯式。本文提出的壓力法克服了滴定法測定濃度在微尺度條件下應用的限制。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，得到氣泡長度隨時間的變化關系，并由此得出液相傳質系數kL以及兩相流的比表面積a。結果表明，微通道內kLa較常規通道中大2～3個數量級主要歸因于兩相比表面積a的增大，kL則與常規管道中基本相同。
　　 采用激光顯微全息干涉法對微通道入口處Taylor氣泡形成過程中的液相側濃度分布進行了研究。利用圖像采集系統對干涉條紋的變化過程進行實時記錄，并對干涉條紋圖進行處理，得到了Taylor氣泡形成過程中液相側濃度分布

4、和近界面濃度邊界層厚度。結果表明，在Taylor氣泡形成過程中有較強的傳質發生，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法對微通道內Taylor流動進行了模擬，并考察了各物理參數對流動過程的影響，模擬結果與實驗結果吻合良好，驗證了模型的準確性。以計算得到的穩定Taylor流動為基礎，通過求解對流擴散方程，模擬了Taylor氣泡單元內的傳質過程