微反應(yīng)器內(nèi)液滴生成規(guī)律及流動特性研究進(jìn)展

周乃香

(山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟(jì)南 250013)

20世紀(jì)以來，隨著自然科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，微化工技術(shù)的優(yōu)勢在越來越多的領(lǐng)域顯現(xiàn)出來。與傳統(tǒng)的化工技術(shù)相比較，微化工技術(shù)具有安全可控、高效節(jié)能和細(xì)微靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在能源、化工和制冷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

目前關(guān)于微通道內(nèi)兩相流的研究還主要停留在實(shí)驗(yàn)階段，有待做進(jìn)一步的研究，特別是對液液兩相流型及流動特征的研究[3]。即使在微通道中液液兩相間的流動性能與常規(guī)尺度相比已有了顯著的提高，但由于液液兩相流具有復(fù)雜的微化工尺度效應(yīng)，目前針對它的研究仍不豐富。沒有比較統(tǒng)一的可以判斷液液兩相形貌演化的規(guī)律和準(zhǔn)則，因此需要加深對微通道內(nèi)液液兩相的流型及流動特征的數(shù)值研究[4-5]。

微通道作為微化工系統(tǒng)裝置的重要組成部分，與常規(guī)尺度相比其內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱、流動和反應(yīng)特征有著明顯的區(qū)別，因此微通道內(nèi)的多相流受到了廣泛的關(guān)注[6]。氣液和液液兩相流作為兩種最常見的多相流，國內(nèi)外研究者對其進(jìn)行了深入的研究[7]。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

朱春英等[8]展開了對液液兩相流流動特征的研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為流體控制系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)兩個部分，通過微量注射泵完成流體驅(qū)動及流量控制。利用控制變量的方法研究了不同特征的微通道對兩相流流型的影響。當(dāng)水相流速大于油相流速時，微小的油相液滴進(jìn)入到水相中，但由于矩形微通道深寬比的局限性會生成直徑較小的油相液滴，且相鄰油滴間的距離遠(yuǎn)大于微通道的寬度，稱這種流型為滴狀流；當(dāng)油相流速相對增大時，油相液滴的體積也會增大，液滴間距比滴狀流近，但并不會發(fā)生液滴聚并的現(xiàn)象，稱這種流型為彈狀流[9]；而當(dāng)水相和油相的速度都很低時，水相和油相分別在微通道的一邊流動互不干擾，形成相對穩(wěn)定的界面，這種流型被稱為平行流[10-11]。液滴形成過程如圖1所示，以流速為坐標(biāo)繪制的流型轉(zhuǎn)換圖表明，在實(shí)驗(yàn)的流速范圍內(nèi)，微通道的深寬比越小越有利于平行流的形成。平行流出現(xiàn)的區(qū)域隨著進(jìn)口角度的減小而增大，當(dāng)使用進(jìn)口角度為60°的Y型微通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，并未觀察到有彈狀流的形成，且水相速度越大，油相液滴越容易在靠近兩相交匯處生成。微通道的形狀會決定兩相流的進(jìn)口角度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)口角度對流型分布和液滴形成具有重要作用。

圖1 Y型微通道內(nèi)液滴形成過程[8]

劉趙淼等[12]則以Y型通道為研究對象，通過改變Y型角度及兩相流量的大小來研究微通道內(nèi)兩相界面的形貌變化規(guī)律，提出關(guān)于微通道內(nèi)兩相界面形貌變化的預(yù)測模型。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，對流Y型微通道內(nèi)液液兩相流的流型分為段塞流、彈狀流、滴狀流、柱狀流和平行流，柱狀流較不穩(wěn)定，隨著時間的增加柱狀流會慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定流型平行流。通過繪制的兩相流流型圖發(fā)現(xiàn)，隨著Y型微通道的角度發(fā)生改變，兩相流型及所占比例也有所區(qū)別。當(dāng)Y型角度為135°時更可能產(chǎn)生更大更穩(wěn)定的液滴，而當(dāng)角度增至180°時，形成的液滴更不穩(wěn)定，范圍也更小。通過"兩步法"提出了液滴體積的預(yù)測模型，將提出的液滴體積的預(yù)測模型和實(shí)際形成的液滴體積相比較，預(yù)測模型較為準(zhǔn)確。如圖2所示為劉趙淼[12]等實(shí)驗(yàn)與模擬所獲得的Y型通道內(nèi)液滴形成過程流場分布示意圖。

圖2 Y型微通道內(nèi)液滴生成過程流場分布[12]

2 國外研究現(xiàn)狀

Safran等[13]通過改變兩相速度比，在T型微通道內(nèi)得到了大小不同的微液滴，他們證明了在微通道中不穩(wěn)定性因素會導(dǎo)致剪切力和表面張力之間的競爭。微通道系統(tǒng)雖處于低雷諾數(shù)下，但兩相流流體間非固定的界限導(dǎo)致了運(yùn)動方程的非線性。雖然他們概述了導(dǎo)致液滴形成不穩(wěn)定的物理學(xué)原理，但是對微通道中兩相流流動的研究仍不夠深入。由于長度尺寸足夠小時液體中的慣性效應(yīng)可以忽略不計，因而在微通道中一般不存在非穩(wěn)定性和非線性因素，在多數(shù)的微通道裝置中雷諾數(shù)Re都較低，則Navier-Stokes等流體流動都為線性的層流流動，這一結(jié)果被實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)芯片中。Ushikubo等[14]對比了Y型與T型微通道內(nèi)液滴生成過程的區(qū)別，二者通道內(nèi)液滴形成過程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面張力對Y型通道內(nèi)液滴形成的作用較小，而對T型通道基本沒作用。Y型通道內(nèi)液滴尺寸的變化較大，主要依賴于通道參數(shù)與流動工況。在較低的流速和流體粘度下，無法生存液滴。這個結(jié)論基本與T型通道內(nèi)的結(jié)果相反。后者對應(yīng)的液滴尺寸較為均勻。Korczyk等[15]討論了微通道內(nèi)液滴形成過程，結(jié)果表明受限液滴尺寸主要又剪切力與毛細(xì)力的比值決定，并提出了液滴長度的表達(dá)式。該表達(dá)式可以詳細(xì)的預(yù)測液滴生成尺寸。Calore等[16]用格子 Boltzmann 方法研究了表面張力和水相流體的流速對液滴尺寸和液滴間距的影響，當(dāng)相互作用力變大時，需要更長的液滴分離時間，因?yàn)樗嗔黧w中的內(nèi)聚力增加。因此，液滴長度速率和形成的間隔速率作為相互作用表面張力系數(shù)的函數(shù)線性增加，即隨著表面張力的增加，液滴尺寸和液滴間距也會增大。但是，在保持油相流體流速不變的條件下增加水相流體的流速，會導(dǎo)致液滴尺寸增加而液滴間距減小[17]。Ngo等[18]利用數(shù)值模擬，分析了十字匯聚通道內(nèi)液滴形成過程，結(jié)果如圖4所示。

圖3 Y型與T型微通道內(nèi)液滴生成過程[14]

圖4 匯聚型微通道內(nèi)液滴生成過程的數(shù)值研究[17]

3 結(jié)論

微通道內(nèi)兩相流動廣泛應(yīng)用于微化工領(lǐng)域，現(xiàn)階段對其內(nèi)液滴形成規(guī)律的研究仍有一定的不足，比如復(fù)合通道內(nèi)液滴生成規(guī)律，液滴尺寸與入口形狀，液滴破裂規(guī)律，入口段傳熱傳質(zhì)特性等方面。進(jìn)一步的研究需要結(jié)合數(shù)值模擬與理論研究的方法，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，獲得更為細(xì)致、可信的數(shù)學(xué)模型，為微化工優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。