微通道內氣液界面傳質機理與調控

《微通道內氣液界面傳質機理與調控》是依託天津大學，由馬友光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微通道內氣液界面傳質機理與調控
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬友光
• 依託單位：天津大學

項目摘要

研究微通道內氣液界面傳質機理與調控機制。利用高速攝像儀實時測定和研究微通道內氣泡傳質過程的界面演化規律。採用微粒子圖像測速儀（micro-PIV）、實時顯微雷射全息干涉儀分別對微通道內氣液兩相傳質過程的速度場和濃度場進行實時測量。考察氣液流速、流體物性、微通道結構和尺寸、流體PH值和溫度等對氣液傳質過程的影響及調控機制。以運動流體的Navier-Stokes方程和傳質對流－擴散方程為基礎，採用格子－玻爾茲曼（LBM）方法，對微通道內氣液傳質過程進行模擬計算，結合實驗測量結果，揭示該過程的氣液界面傳質機理，建立微通道內氣液界面傳質非平衡及非線性預測模型，為進一步研究微系統中氣液傳質特性提供實驗和理論基礎。

結題摘要

特徵尺度為微米級的微通道能夠強化傳質過程，因此在氣體的吸收、解吸、直接氟化、加氫等過程中具有良好的套用前景。氣液傳質過程受氣液流速、通道直徑、流體物性等的影響，研究微通道內的氣液界面傳質機理並建立相關機理模型十分必要。 針對不同結構的微通道內氣泡的生成、破裂及聚並行為進行了研究。十字聚焦微通道中泰勒氣泡的生成過程中，氣泡頸部最小半徑與剩餘時間滿足冪函式關係，非線性夾斷過程可分為液體擠壓塌陷階段和自由破裂階段。考察了液相黏度對氣泡生成過程界面演化規律的影響。研究了壁面限制作用下氣泡頸部界面在破裂過程中的演變規律及其自相似性。結果表明，在氣泡破裂過程中，由於表面張力的不均衡作用，頸部徑向和軸向的演變速率不同。通過引入形變指數對頸部界面輪廓進行歸一化，發現頸部界面具有自相似性。Y型和T型分岔口微通道內氣泡的破裂流型可分為四種：完全阻塞破裂、部分阻塞破裂、無阻塞破裂及不破裂，並通過臨界無因次氣泡長度對三種破裂流型間的轉變進行描述。相比於對稱T型分岔口，不對稱分岔口結構更容易使氣泡破裂。對於非對稱環路T型分岔口微通道內氣泡的破裂過程，結合氣泡周圍流場分布，提出了氣泡破裂的動力學反饋機制。研究了對稱及不對稱環路微通道T型匯聚處氣泡的聚並行為，在T型匯聚處觀測到3種主要的子氣泡對行為：碰撞式聚並，擠壓式聚並及不聚並，並分別提出了氣泡的聚並機理。 針對微通道內氣液傳質過程中的兩相分散、流動及傳質規律進行了研究。採用單乙醇胺水溶液、二乙醇胺/乙醇混合溶液及離子液體/乙醇混合溶液等作為吸收溶劑進行了CO2吸收實驗，觀測到了彈狀-泡狀流、彈狀流、彈狀-環狀流和液環流。通過繪製流型圖得到流型轉換線，提出了伴有相間傳質的氣-液兩相流過程的流型轉換線預測模型。氣-液兩相傳質過程對氣泡初始體積、氣泡生成頻率影響較小，而對空隙率和兩相流壓降具有顯著影響。氣相流量的增大，液相流量、化學反應速率和深寬比的降低，均導致微通道內空隙率的增大。考慮相間傳質的影響，提出了空隙率的半理論預測模型。隨氣液兩相流量、化學反應速率和深寬比的增大，微通道內壓力降均增大。基於分相模型和物理模型，建立了壓力降的半理論預測模型, 提出l了液側體積傳質係數模型。