微通道内不对称Y型分岔口处气泡/液滴破裂行为的研究

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1 微通道内不对称Y型分岔口处气泡/液滴破裂行为的研究
报告人：杨丽霞 指导教师：马友光研究员

2 主要内容 1st 选题背景及意义 2nd 研究内容 3rd 课题进展安排

3 1、选题背景及意义 计算机芯片的发明使得计算机的小型化得以实现，因此而带来的计算机革命推动了20世纪后半叶科学与技术的迅猛发展。计算机微型化带来的巨大成功引发了“微型化”热潮。特别是20世纪90年代以来，“微型化”这一概念被越来越多的科学家和工程师们提及。与此同时，随着微分析系统、微电子系统、微流体、微系统、芯片实验室等概念的提出和发展，微化工技术逐渐成为化工领域的研究热点。 微化工 微乳化 微混合 微反应 微分离 微换热 其他

4 1、选题背景及意义 缺点 优点 微反应的主要优缺点
所需空间小、能耗少、响应时间短、单位体积和单位时间得到的信息量较大、成本低、生产灵活、生产能力可直接放大等。 吨位数达不到传统石油化工的要求。

5 1、选题背景及意义 微流动 微通道 基础 微化工设备 重要组成 基础 气液两相流 多相流 液液两相流

6 1、选题背景及意义 微尺度流动在微机电系统（MEMS）、计算机、生物、医疗、航空航天、通讯和国防上的巨大应用前景，使得微尺度流动的研究将进入一个崭新的阶段，现代药物设计合成、药物输送和诊断学也正在快速推进。

7 1、选题背景及意义 1、分层流在大多数微过程中没有出 现； 微通道内气液/液液两相流的特征 2、不能用宏观管道内的流型判别式来预测流型；
3、流型的转变受流体流量、粘度、表面张力、驱动方式，气液进口结构和尺寸等因素影响。

8 在小型化学反应器进行微量反应时，微尺寸液滴可以精确地检测和控制反应进程
1、选题背景及意义 微流体液滴的作用 高度单分散乳液的生成（如制备功能颗粒） 使用微尺寸液滴传递特定量的物质 在小型化学反应器进行微量反应时，微尺寸液滴可以精确地检测和控制反应进程 1 2 3

9 1、选题背景及意义 在实际应用中，如化学工业中的乳化、医药行业，需要有效预测液滴大小的方法。 （1）用两旁路不等长的T型微通道。
不足：V1/V2≈l2/l1，随着两支路流量 比的增大,系统的尺寸也增大。 通过破裂产生大小不一的液滴 （2）用两旁路不等宽的T型微通道。 （3）在微通道中偏离轴中心处设置挡板。 不足：液滴破裂后继续并行运动，需要 额外的分离装置进行分离。

10 1、选题背景及意义 Ahmad Bedram and Ali Moosavi, The European Physical Journal E, 2011

11 1、选题背景及意义

12 1 2 3 1、选题背景及意义 结 论 Ca数越大，得到的液滴尺寸越小； 通道结构越对称，压降越小；
结 论 Ca数越大，得到的液滴尺寸越小； 通道结构越对称，压降越小； 与两旁路出口不等长的T型通道相比，该结构的液滴破裂时间和压降较小。 1 2 3

13 Louis Salkin, Laurent Courbin, et al. 2012, PHYSICAL REVIEW
1、选题背景及意义 Louis Salkin, Laurent Courbin, et al. 2012, PHYSICAL REVIEW L=200－800μm Ld=150－900μm

14 1、选题背景及意义

15 1、选题背景及意义 优点 结构新颖，可通过改变挡板长度、操作条件或者物系以得到不同大小的液滴。 不足
液滴破裂后继续并行运动，需要额外的分离装置进行分离。

16 1、选题背景及意义 FLUENT CFX PHOENICS 其他
模拟多相流最主要的问题就是要找到合适的两相界面的计算方法，目前使用较为广泛的方法有边界积分法（BIM）、锋面跟踪法（FTM）、体积分率法（VOF）和水平集法（LSM）。 CFD FLUENT CFX PHOENICS 其他 优点：排除了实际实验在时间和空间上的限制，而且效果生动逼真，使得研究的周期加快，最主要的是它能实现大量不同参数相互组合计算，快速给出精确的定量或定性的结果，对微流体设备的优化设计具有重大意义。

17 1、选题背景及意义 CFD中错误的主要来源 物理模型 循环和 收敛 边界与进口 条件的处理 网格的分辨 率与设计 数值离散 方法

18 2、研究内容 （1）30°－45° 三个通道截面均为300x50μm的矩形截面 （2）30°－60° （3）30°－90°

19 2、研究内容 （1）、在三种具有不对称Y型分岔口的微通道中，研究气泡在分岔口处的破裂行为。实验和模拟手段。 a 、实验部分 用高速摄像仪考察液相粘度（采用去离子水、不同浓度的甘油溶液）、气液相流率比在不同角度的通道中对气泡破裂行为的影响。 b 、模拟部分 用Fluent软件模拟分岔口处气泡破裂过程周围流场的变化，以验证实验结果。 加0.5%的SDS

20 2、研究内容 （3）、模拟复杂通道内气泡/液滴的破裂行为，并进行实验验证。
（2）、在三种具有不对称Y型分岔口的微通道中，研究液滴在分岔口处的破裂行为。实验和模拟手段。 a 、实验部分 用高速摄像仪考察不互溶两液相粘度比（采用两种液液体系，一种体系是不同浓度的甘油水溶液为分散相，连续相为十六烷；另一种体系是水为分散相，硅油为连续相）以及两相流率比在不同角度的通道中对液滴破裂行为的影响。 b 、模拟部分 用Fluent软件模拟分岔口处液滴破裂过程周围流场的变化，以验证实验结果。 （3）、模拟复杂通道内气泡/液滴的破裂行为，并进行实验验证。

21 2、研究内容 模拟方法说明 软件：Fluent 模型：基于分段线性界面表征法（piecewise linear interface representation，简称PLIC）的 VOF模型 求解器：压力基求解器 算法：压力隐式算子分割算法（pressure-implicit with splitting of operators，简称PISO） 压力插值方法： PRESTO！(pressure staggering options)，使用几何重构方案处理界面附近插值 离散方法：使用二阶迎风格式对动量方程进行离散 边界条件：进口设置为速度进口，出口为压力出口，出口压力为一个大气压。 壁面条件设为完全润湿且无滑移

22 3、课题进展安排 ： 查阅文献，确定研究物系、通道形式，加 工通道，完成气液（液液）两相流的流型 研究。   ： 第一阶段实验（包含模拟），完成对气泡 分裂行为研究。   ： 第二阶段实验（包含模拟），完成对液滴 分裂行为研究及复杂通道内气泡/液滴 的破裂行为。   ： 撰写论文，准备答辩。

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