微通道内弹状流的数值模拟与实验研究

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微流控技术因其易于操控、高效节能和安全性高的特点，在化学、生物工程等众多领域获得广泛的应用。使用气液两相流体，通过微流控装置可以获得尺寸均匀的微气泡。气液两相在通道内的流动伴随着复杂的受力过程，研究通道内弹状流的生成过程有助于加深对气泡生成机制的理解。目前，对于弹状流的生成过程，尤其是针对气液相界面的变化研究不够完善。本文利用数值模拟和实验研究相结合的方法考察弹状流生成机制，关注相界面的变化及物理场信息，进一步得出气弹生成特性及其主要影响因素。基于以上内容，本文研究工作如下：（1）建立T型微通道气液两相流数值模型，研究弹状流生成过程。通过研究流动过程中相界面的变化，将气弹生成过程分为“两个阶段，一个时刻”。第一个阶段为回缩过程，这一过程中气相端部在表面张力的作用下快速回缩。第二阶段为连续鼓泡过程，在连续进料的情况下气弹不断生长，在液相的剪切作用下，下壁面气相不断变薄。当表面张力不能维持气相形状时断裂形成气弹，此时为“断裂时刻”。（2）流动过程伴随着压力场和速度场的不断变化。通过中心线和监测点两种方法研究压力场的变化，结果表明气相断裂导致断裂位置附近压力场急剧变化。粘性对中心线整体压力变化幅度影响最大。表面张力是气弹维持球形的原因，气弹下游相界面曲率半径小于上游相界面。根据速度场可以看出相界面是速度最大、受力情况最复杂的位置，气弹内部两个端部形成涡旋，推动气弹向下游运动。（3）通过搭建显微-高速摄像系统拍摄微流控芯片中气弹的高速生成，通过数字图像处理技术，得到气弹的生成特性（特征长度、生成周期等）。结果表明改变气液两相流率，气弹生成特性的变化范围最大。表面张力对气弹生成特性的影响最小。增加粘度能够得到尺寸更小的气泡且生成周期较短，气弹特征长度为400μm左右，气弹生成周期4.5ms左右。（4）通过无量纲分析，发现气弹特征长度与无量纲数气液流量比Q*，雷诺数Re，韦伯数We之间存在函数关系。经过线性回归分析得到的经验公式表明：通道尺寸不变的情况下，增加气相流率和减小液相流率均能使气弹特征长度增加，流动过程中气弹特征长度受惯性力和粘性力的影响，而表面张力的影响可以忽略。

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作者
王云峰;
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作者单位

大连理工大学;

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授予单位大连理工大学;
学科安全工程
授予学位硕士
导师姓名刘志军;
年度 2018
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类
关键词
微通道; 弹状流; 数值模拟;

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