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

主要内容

1st 选题背景及意义

2nd 研究内容

3rd 课题进展安排

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

1、选题背景及意义 微反应的主要优缺点

优点 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。

1、选题背景及意义

微流

动 基础 微化工设备 重要组成

微通

道

基础

多相流

气液两相流

液液两相流

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。

1、选题背景及意义

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；

1、分层流在大多数微过程中没有出现；

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。

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

3

2

1、选题背景及意义

通过破裂产生大小不一的液滴

（ 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。

（ 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。

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。

（ 2）用两旁路不等宽的 T型微通道。

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

E, 2011

1、选题背景及意义

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；

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

1、选题背景及意义

Louis Salkin, Laurent Courbin, et al. 2012, PHYSICAL REVIEW

L=200－ 800μm

Ld=150－ 900μm

1、选题背景及意义

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。

1、选题背景及意义

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。

1、选题背景及意义 CFD 中错误的

主要来源

物理模型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

循环和收敛

2、研究内容

（ 1 ） 30°－ 45°

（ 2 ） 30°－ 60°

（ 3 ） 30°－ 90°

三个通道 截面均为 300x50μm的矩形截面

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

2、研究内容

（ 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。

2、研究内容

软件： Fluent 6.3.26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

模拟方法说明

3、课题进展安排2012.07-2012.10 ： 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。 2012.11-2013.04 ： 第一阶段实验（包含模拟），完成对气泡 分裂行为研究。 2013.05-2014.01 ： 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。 2014.02-2014.05 ： 撰写论文，准备答辩。

Thank you for your patience!