單分散性乳液的制備受到國內(nèi)外學(xué)者的追捧并廣泛地應(yīng)用在藥物、化學(xué)工程、食品科學(xué)等許多工程研究中。乳液液滴/液柱的單分散性對乳液性能如外觀、穩(wěn)定性、流變性、反應(yīng)動力學(xué)有很大影響,主要由由微流體裝置和流體的物理性質(zhì)決定。通過平行微通道裝置主動控制微滴/液柱的尺寸,這對單分散油包水乳液在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。目前,樹狀Y型并行微通道接觸器中液滴/液柱形成的機(jī)理和多相流體間流體效應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律尚未被研究討論。特別是,基于二分叉的樹狀平行微通道接觸器的流體分布情況、液滴/液柱的形成和流體動力學(xué)行為、單分散乳液制備的影響因素及規(guī)律仍需要揭示。在本論文中,我們著重研究新型樹狀平行微通道接觸器的開發(fā),并應(yīng)用于單分散性乳液的大量制備。為了研究流動模式和液滴/液柱形成過程中流體力學(xué)行為,對于單個Y型微通道首先結(jié)合了數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)方法,研究并討論了液滴破裂過程時(shí)的受力情況分析,分析了流體物性、流量比對液滴/液柱長度和體積影響規(guī)律。然后,基于CFD模擬方法,對分叉樹狀結(jié)構(gòu)的實(shí)際水/油分布情況進(jìn)行了深入地?cái)?shù)值研究,討論了流體分布不均勻性的影響因素及其對乳狀液多分散性的影響。同時(shí),搭建樹狀接觸器制備乳液的實(shí)驗(yàn)平臺,大量、穩(wěn)定、持續(xù)地制備單分散性乳液并由高速CCD進(jìn)行觀測,研究了平行化、流體分布不均勻性和流體物理性質(zhì)對乳液多分散性和濃度的影響。概況起來,本論文的研究內(nèi)容及主要結(jié)論如下:通過實(shí)驗(yàn)和VOF方法,研究了液滴/液柱生成過程的流體力學(xué)行為,分析了兩相流型、流體物性對油包水乳化過程的影響機(jī)理,以及討論了液滴/液柱長度和體積與流量比、表面張力和黏度比之間的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明:液滴在表面張力和黏性力的相互作用下,制備了兩種典型的乳化模式:液滴流動和液柱流動,連續(xù)相毛細(xì)管數(shù)Ca_c=0.01是液滴流動向液柱流動轉(zhuǎn)變的臨界值;液滴/液柱的長度和體積隨著表面張力的增大而增加,隨著黏度的增加反而會相應(yīng)的減少,并且黏度對尺寸的影響較小;當(dāng)毛細(xì)管數(shù)小于臨界值時(shí),微通道流體的表面張力比黏性剪切力更強(qiáng),占主導(dǎo)地位,形成液柱流動,其長度和體積隨著水-純油流量比的增加而線性地增大;為了使得液滴/液柱的長度和體積預(yù)測公式更加適用于各種流體物性的流體在Y型微通道內(nèi)乳化后的液滴/液柱的尺寸,在以流量比為基礎(chǔ)的水-純油液柱長度和體積公式中加入校正因子μ_(o,modify)/μ_(o,pure)和γ_(w/o,modify)/γ_(w/o,pure),加入校正因子之后的預(yù)測公式所計(jì)算的長度和體積值與實(shí)際的吻合度非常好;使用三維CFD建立新型分叉樹狀分配-集合器的流體分布情況的理論分析模型,研究不同流量和物理性質(zhì)下流體的分布不均勻性,并用相對流量偏差(σ_i)和不均勻分布因子(MF)量化流體分布不均勻性程度。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,樹狀分配-集合器的流體分布不均勻性只受流體雷諾數(shù)決定,與流體的物理性質(zhì)沒有關(guān)系;一個過渡雷諾數(shù)存在,當(dāng)流體的雷諾數(shù)小于過渡雷諾數(shù)時(shí),流體分布的相對流量偏差和不均勻分布因子都很小,且保持不變,這是因?yàn)樘幵谶^渡雷諾數(shù)之下的流體,其慣性和樹狀結(jié)構(gòu)的分叉處與肘部對流體的流速變化幾乎沒有影響,流體分布基本上呈均勻分布;反之,當(dāng)流體的雷諾數(shù)大于過渡雷諾數(shù)時(shí),流體本身的慣性和樹狀結(jié)構(gòu)的肘部與分叉處會使得流經(jīng)的流體產(chǎn)生明顯的渦流,經(jīng)過每一個分支代的強(qiáng)化,并行微通道的流體分布不再均勻,都隨雷諾數(shù)的增大而線性地增大;搭建實(shí)驗(yàn)平臺,將新型的樹狀接觸器應(yīng)用到大輸出量單分散性乳液的制備,并根據(jù)液滴體積的理論計(jì)算模型和CFD仿真結(jié)果,研究并行化、單相分布不均勻性、兩相分布不均勻性和入口流量比對樹狀接觸器生成單分散性乳液的影響規(guī)律,并推出預(yù)測公式。結(jié)果表明:樹狀接觸器能夠大規(guī)模地制備單分散性乳液;樹狀結(jié)構(gòu)經(jīng)過縮放尺寸優(yōu)化后,并行后的乳液液滴在收集器不會發(fā)生破裂或者聚焦等情況;乳液的多分散性值P_w隨著單相流分布的不均勻因子增加而增大,水相和油相的單相不均勻性對P_w的影響規(guī)律和程度都是一樣的;當(dāng)兩相流的不均勻性增加時(shí),P_w值會隨之線性地增大;入口水-油流量比對P_w也有著正面的影響,但是當(dāng)流量比大于1.0時(shí),影響逐漸減弱�；趦上嗔黧w的不均勻性,乳液P_w的預(yù)測關(guān)聯(lián)式被建立,其計(jì)算值與CFD仿真兩相流的計(jì)算結(jié)果吻合度良好;搭建實(shí)驗(yàn)平臺,研究表面張力、黏度、毛細(xì)管數(shù)、納米顆粒和溫度對乳液液滴多分散性和濃度的影響,并通過VOF方法定性地研究乳液液滴的生成頻率,然后通過奧內(nèi)佐格數(shù)來定量地分析流體物性對乳液多分散性的影響,最后計(jì)算所用工況下乳化反應(yīng)的能量耗散率。結(jié)果表明:乳液的P_w隨著流體間的表面張力減小而變大,但乳液的濃度卻會增大,這是因?yàn)楫?dāng)表面張力減低時(shí),在剪切力的作用力,液滴破裂時(shí)所需時(shí)間會相應(yīng)地減小,液滴生成頻率增大,單位時(shí)間內(nèi)制備乳液的濃度也會增大;黏度在一定程度上的降低有利于單分散性乳液的制備;接觸器中的毛細(xì)管數(shù)小于0.02時(shí),制備的乳液是單分散性乳液,并且沒有明確的規(guī)律;高溫下,P_w會隨著溫度的升高而增大;添加納米顆粒的乳液的單分散性會變差,濃度反而會相應(yīng)地稍微增大;對單微通道和樹狀并行微通道接觸器乳化而言,奧內(nèi)佐格數(shù)為0.4可以作為該接觸器中乳液單分散性和多分散性之間的邊界線,當(dāng)奧內(nèi)佐格數(shù)小于0.4時(shí),乳液為單分散性乳液,反之,制備的乳液為多分散性乳液;基于乳化反應(yīng)中的關(guān)鍵參數(shù)和Nelder-Mead單純形式對等式,建立Oh_(pre)模型來預(yù)測乳液的多分散性,預(yù)測值Oh_(pre)可以很好地預(yù)測實(shí)驗(yàn)值Oh_(expts),平均絕對誤差為8.7%;所有工況下,接觸器乳化時(shí)最大能量耗散率為35J.kg~(-1)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O648.23
【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號對照表
希臘字符
下標(biāo)
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 微通道乳化的基本原理
        1.2.1 微通道的制備
        1.2.2 無量綱參數(shù)
        1.2.3 相參數(shù)
    1.3 微通道乳化的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 單微通道乳化的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀
        1.3.2 并行微通道乳化的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀
    1.4 微通道乳液液滴的應(yīng)用現(xiàn)狀
        1.4.1 微顆粒的合成
        1.4.2 微膠囊的合成
        1.4.3 生物微流體
    1.5 論文研究內(nèi)容
    1.6 本章小結(jié)
第二章 Y型單微通道乳化過程分析
    2.1 引言
    2.2 實(shí)驗(yàn)
        2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
        2.2.2 工作流體
        2.2.3 實(shí)驗(yàn)方法
        2.2.4 數(shù)據(jù)測量
    2.3 CFD仿真兩相流
    2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        2.4.1 液滴生成過程
        2.4.2 典型流動模式分析
        2.4.3 液滴尺寸影響因素分析
        2.4.4 液滴長度預(yù)測模型
        2.4.5 液滴體積預(yù)測模型
    2.5 本章小結(jié)
第三章 分叉樹狀分配-集合器流體分布CFD研究
    3.1 引言
    3.2 數(shù)值模型
        3.2.1 多尺度分配/集合器
        3.2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性
        3.2.3 仿真流體
        3.2.4 CFD方法與實(shí)現(xiàn)
    3.3 結(jié)果與分析
        3.3.1 流體分布不均勻性影響因素
        3.3.2 流體分布不均勻性預(yù)測模型
    3.4 本章小結(jié)
第四章 幾何構(gòu)型對樹狀接觸器單分散性乳液制備的影響
    4.1 引言
    4.2 實(shí)驗(yàn)
        4.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
        4.2.2 工作流體
        4.2.3 實(shí)驗(yàn)方法
    4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        4.3.1 并行化對乳液多分散性的影響
        4.3.2 流體分布不均勻性對乳液多分散性的影響
        4.3.3 乳液多分散性預(yù)測模型
    4.4 本章小結(jié)
第五章 流體物性對樹狀接觸器單分散性乳液制備的影響
    5.1 引言
    5.2 實(shí)驗(yàn)
        5.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
        5.2.2 工作流體
    5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        5.3.1 流體物性對乳液多分散性的影響
        5.3.2 流體物性對乳液液滴濃度的影響
        5.3.3 納米顆粒TiO)2對乳液多分散性的影響
        5.3.4 Oh的分析與預(yù)測
        5.3.5 能量耗散率
    5.4 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)
    6.3 未來展望
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果
致謝
附件

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