【摘要】：微化工技術(shù)是化工過程強化的重要手段之一,因為其具有高傳質(zhì)性能、安全性好和可以數(shù)目放大等特點而受到廣泛關(guān)注。本文對典型構(gòu)型微通道內(nèi)氣液兩相流型、氣泡生成過程以及并行微通道內(nèi)兩相流動的穩(wěn)定性和均勻性進行了實驗研究。利用高速攝像儀觀察了十字聚焦型微通道內(nèi)高黏度的甘油-水溶液中氮氣氣泡的生成過程,研究了氣泡體積的變化規(guī)律和動力學(xué)機制。結(jié)果表明,氣泡生成過程分為膨脹和破裂兩個階段,每個階段氣泡體積隨時間均呈線性增大,但是破裂階段的變化率總是大于膨脹階段,每個階段變化率由毛細數(shù)和氣液流量比決定,得到了生成氣泡最終體積與毛細數(shù)和氣液流量比的關(guān)系;膨脹階段和破裂階段的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)于氣泡頸部寬度達到最大時,且轉(zhuǎn)折點的無量綱時間僅與氣液流量比有關(guān)。本文還對氣泡破裂時氣液界面動力學(xué)規(guī)律進行了實驗研究。觀察到了兩個完全不同的氣泡破裂階段:頸部半徑隨剩余時間呈冪指數(shù)關(guān)系的擠壓階段,以及頸部半徑與時間呈線性關(guān)系的最終破裂階段;在一定的氣相流率下,冪指數(shù)關(guān)系中的指數(shù)隨著黏度的增大而增大,線性關(guān)系中的斜率隨黏度的增大而減小,并且兩階段的頸部半徑變化規(guī)律與液相流率無關(guān)。對不同構(gòu)型的并行放大微通道內(nèi)氣泡生成發(fā)展過程進行了研究,發(fā)現(xiàn)了氣液兩相流率、液相黏度與通道構(gòu)型對氣泡生成的穩(wěn)定性和均勻性等介尺度機制的影響。研究表明,氣泡生成的過程隨著氣相流率、液相流率和液相黏度的增大逐漸趨于穩(wěn)定;氣泡生成的穩(wěn)定性隨著通道構(gòu)型由高到低依次為無空腔、后空腔和前空腔。兩通道內(nèi)生成氣泡長度的均勻性隨著氣相流率和液相黏度的減小而增大,并且隨著液相流率的增大而增大;氣泡長度的均勻性隨著通道構(gòu)型的由高到低依次為前后空腔、前空腔、后空腔和無空腔。
【圖文】：

微化工系統(tǒng)包括微反應(yīng)、微傳熱、微混合、微分析和微分離等，其中微反應(yīng)是核心部分。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器具有比表面積大、傳遞效率高、選擇性強、反應(yīng)迅速、設(shè)備安全性高、占地面積小和易于直接放大等優(yōu)點，可實現(xiàn)過程連續(xù)、高度集成、分散與柔性生產(chǎn)[2]。微通道反應(yīng)器是目前應(yīng)用最廣泛的微反應(yīng)器，材料包括玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，通過機械加工的方法制成各種結(jié)構(gòu)的微通道。微化工裝置內(nèi)受限多相流動力學(xué)是微化工技術(shù)的核心問題之一，如微通道內(nèi)氣泡或液滴的生成、破裂和聚并等現(xiàn)象，，其中氣泡是微流體多相流中應(yīng)用較為廣泛的一種流型。微型氣泡在醫(yī)療[3]、食品[4]、材料[5]等方面有著廣泛的應(yīng)用。1.1 微通道內(nèi)氣泡（液滴）的生成如圖 1-1 所示，常用的微通道構(gòu)型有：T 型、十字聚焦型和流體同軸型[6]。眾多學(xué)者對微通道內(nèi)氣泡生成過程進行研究發(fā)現(xiàn)：通道構(gòu)型、流體流速以及流體的物理性質(zhì)均會對氣泡生成過程造成影響。

圖 1-2 并行微通道氣液兩相分布結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-2 Schematic representation of gas-liquid flow distribution over parallel microchanne(a) branching (b) internal distribution (c) external distribution.1 微通道內(nèi)氣液兩相的流型微流體裝置的快速發(fā)展引起了全面了解微通道內(nèi)流動特征以推動其設(shè)程控制的需求，其中氣液兩相流是應(yīng)用最多的流動方式之一，微通道內(nèi)氣流型是研究兩相分布和傳熱傳質(zhì)的基礎(chǔ)。宏觀尺度下氣液兩相流型主要為、彈狀流、環(huán)狀流和滴狀流，而在微通道內(nèi)，由于尺寸遠小于傳統(tǒng)反應(yīng)器受力不同，呈現(xiàn)的流型也有一定的差異。在微流體裝置中由于通道構(gòu)型和同，實驗所用流體物性和操作條件的差異，觀察到的流型也不盡相同。Coleman 等[40]觀察了截面為圓形和矩形的通道內(nèi)空氣和水混合物的流型的當(dāng)量直徑為 1.3-5.5mm，氣體流速為 0.1-100m·s-1，液體流速為 0.01-10m·驗中所觀察到的流型包括：泡狀流、分散流、長氣泡流、彈狀流、分層流
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ021

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