【摘要】：隨著微化工技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,微通道內(nèi)氣液兩相流的研究備受學(xué)者關(guān)注,但對于廣泛應(yīng)用于能源化工、復(fù)合材料及醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域的毫米級(jí)Mini通道內(nèi)氣液兩相流及Taylor氣泡特征行為的相關(guān)研究較少。本文采用實(shí)驗(yàn)觀測與理論模擬相結(jié)合的方法研究了Mini通道內(nèi)非牛頓流體中的氣液兩相流及Taylor氣泡特征行為,為氣液接觸裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及Taylor氣泡行為的調(diào)控機(jī)理提供參考。本文采用高速攝像機(jī)對Mini通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)行為進(jìn)行觀測,探究了流體種類、羧甲基纖維素鈉(CMC)水溶液濃度和表面活性劑─十二烷基硫酸鈉(SDS)濃度對流型的影響,同時(shí)考察了氣液相流率、CMC溶液濃度和SDS濃度對Taylor氣泡長度、液柱長度、上升速度與生成頻率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):各類溶液中均存在五種流型:泡狀流、泰勒流、泰勒-環(huán)狀流、環(huán)狀流及攪拌流。與牛頓流體(H_2O)相比,在粘彈性非牛頓流體(1.0%PAM)溶液中,泡狀流與攪拌流區(qū)域顯著擴(kuò)大,泰勒-環(huán)狀流與環(huán)狀流區(qū)域稍有縮小,泰勒流區(qū)域變化不明顯;在純粘性非牛頓流體(1.0%CMC)溶液中,泰勒流區(qū)域明顯縮小,泡狀流與攪拌流區(qū)域有所擴(kuò)大;而隨著CMC溶液濃度和SDS濃度的增加,泰勒流區(qū)域不斷縮小,泡狀流與攪拌流區(qū)域逐漸擴(kuò)大。Taylor氣泡長度隨氣相流率的增加而增長,但隨著液相流率、CMC溶液濃度和SDS濃度的增加而減小;液柱長度隨液相流率的增大而增長,但隨著氣相流率、CMC溶液濃度和SDS濃度的增大而減小;Taylor氣泡上升速度與生成頻率均隨氣相流率、液相流率、CMC溶液濃度和SDS濃度的增加而增大。考慮到非牛頓流體的流變特性,采用水平集法(LS)與流體體積法(VOF)相耦合的方法(CLSVOF)對Mini通道內(nèi)非牛頓流體中氣液兩相流及Taylor氣泡特征行為進(jìn)行數(shù)值模擬。通過有效性驗(yàn)證以及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,證實(shí)了該方法的可靠性與準(zhǔn)確性。然后應(yīng)用該方法分別研究了流體種類、CMC溶液濃度和SDS濃度對流型的影響,同時(shí)考察了氣液相流率、CMC溶液濃度和SDS濃度對Taylor氣泡液膜厚度與曲率的影響。模擬結(jié)果表明,在不同計(jì)算條件下均存在上述五種流型,而相比于H_2O,在1.0%PAM溶液中,泰勒流區(qū)域與攪拌流區(qū)域稍微擴(kuò)大,泰勒-環(huán)狀流與環(huán)狀流區(qū)域明顯縮小,泡狀流區(qū)域變化不明顯;在1.0%CMC溶液中,泰勒流、泡狀流與攪拌流區(qū)域有所擴(kuò)大,泰勒-環(huán)狀流與環(huán)狀流區(qū)域顯著縮小;隨著CMC溶液濃度和SDS濃度的增加,泰勒流區(qū)域逐漸縮小,泡狀流與攪拌流區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大。液膜厚度隨氣相流率的增大而變小,但隨著液相流率、CMC溶液濃度與SDS濃度的增大而變大;曲率隨氣相流率、液相流率、CMC溶液濃度與SDS濃度的增大而變大,氣泡流型也由泰勒流轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍鳌?br>【圖文】：

廣的特殊流型，具有獨(dú)特的流動(dòng)特性和尺寸效應(yīng)，這些特應(yīng)用前景[18-20]。所以，研究 Mini 通道內(nèi)非牛頓流體中征流動(dòng)規(guī)律具有重要意義和科研價(jià)值。體及其特性體牛頓粘性定律的流體統(tǒng)稱為牛頓流體[21]，即任一點(diǎn)上的剪性函數(shù)關(guān)系，如下式：應(yīng)力， 為粘度，du/ dy為剪切速率。而不符合牛頓粘性牛頓型流體普遍存在于自然界、生活生產(chǎn)及工業(yè)生產(chǎn)中血液、高分子溶液、油漆等。非牛頓流體與人類生活生廣泛應(yīng)用于能源化工、醫(yī)藥合成以及食品生產(chǎn)等領(lǐng)域[22下幾類[22,26]：

第二章 實(shí)驗(yàn)裝置及物性測量第二章 實(shí)驗(yàn)裝置及物性測量2.1 通道的結(jié)構(gòu)和尺寸本章實(shí)驗(yàn)過程中使用的 Mini通道主要是由兩部分構(gòu)成，如圖 2-1 所示。第一部分為T 字垂直共流型通道，材質(zhì)為石英玻璃，垂直主通道尺寸為：150 mm（長）×3.0 mm（外徑）×2.5 mm（內(nèi)徑），支通道尺寸為：18 mm（長）×3.0 mm（外徑）×2.5 mm（內(nèi)徑）；第二部分為注射針頭，材質(zhì)為不銹鋼，尺寸為：38 mm（長）×0.91 mm（外徑）×0.61 mm（內(nèi)徑）。液相作為連續(xù)相從垂直于主通道一側(cè)的支通道注入，氣相作為分散相從插入主通道下方端面的注射針頭注入，，并使注射針頭上端與支通道交匯處保持一段距離，以保證氣液兩相交匯后可形成穩(wěn)定共流形態(tài)。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ022.4

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本文編號(hào)：2690393