《微反應器流體通道網路結構的仿生學研究》是依託浙江大學，由王麗軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微反應器流體通道網路結構的仿生學研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：王麗軍
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
採用仿生學方法改進和最佳化微反應器流體通道網路結構，將生物網路結構的最佳化拓撲性質套用於微反應器的通道設計。借鑑了最新的生物組織形態學理論- - 異速生長理論，首次將該理論套用於化工微反應器仿生網路的設計與開發。以能量最小化原理作為仿生網路構造的核心環節，展開系統的理論分析、數值計算及實驗研究，探索仿生網路基本結構單元中流動阻力與混合的流體力學規律，為微反應器流體通道網路結構的改進與創新探索一條新思路。
結題摘要
系統地研究了仿生分叉網路構型在強化均相流體混合、非均相流體傳質、以及在催化劑晶片製備、降低催化劑顆粒內外擴散中的作用：1. 對單級和多級T 形微通道結構中流體的混合規律進行了實驗和模擬研究。研究發現, 隨著流動Reynolds數的增加, 微通道內依次出現層流、渦流、卷流3 種不同流動狀態; 在單級T 形微通道中, 只有當流動處於卷流狀態時, 混合才得以強化; 而對於多級T 形微通道結構, 流體接觸面積增大, 流向轉變使得當最大尺度的混合通道中出現渦流時, 混合即增強。在相同停留時間條件下, 多級T 形微通道結構中流體混合效率明顯高於單級。研究結果充分說明, 含有多級T 形結構的樹狀分形仿生網路結構能夠極大地強化流體混合, 多級T 形網路結構是一種高效的微觀混合構型；2. 對單級和多級T形微通道結構中水和甲苯兩相流動與傳質進行了實驗與模擬，拍攝了兩相流動流型變化，通過測量醋酸在水和甲苯兩相的分配獲得了T形微通道中液液兩相傳質係數。採用VOF流體力學模型模擬了T形微通道中彈狀流的形成和變化過程，準確預測了彈狀尺寸。研究發現，無論流動處於彈狀流還是並行流，在保持相同停留時間條件下，多級T形微通道結構中總的體積傳質係數及萃取效率明顯高於單級。結果說明，含有多級T形結構的分形樹狀仿生網路能夠有效地提高液液兩相問的傳質速率，多級T形網路是一種高效的微萃取構型；3. 借鑑生物體內循環系統的原理和組織結構特徵，設計了一種具有進料、出料仿生微通道網路分布的整體式催化劑晶片。對仿生通道網路構型進行了CFD模擬研究和最佳化計算。模擬發現，在保證相同停留時間條件下，相比傳統床層式催化劑晶片，具有仿生微通道網路分布的整體式催化劑晶片流動阻力極大降低。經過構型最佳化的仿生通道結構晶片返混小，平推效果較好。穩定性分析表明，仿生通道結構晶片還具有較好的抗干擾性，能夠有效地降低流道短路或斷路等不確定因素帶來的不良影響，是一種理想的催化劑晶片構型。上述研究內容，共發表SCI和EI收錄論文4篇，培養研究生3名，達到了本項目預期的研究目標。
