试析微通道内两相流流型及液滴生成研究

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1、天津大学硕士学位论文微通道内两相流流型及液滴生成研究姓名：刘玮莅申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：马友光201006摘要近年来，微流体技术发展迅速，多相流作为其研究和应用的基础，受到人们极大关注。本文研究了微通道内两相流流型及液滴的生成。采用激光影像放大技术，观测了截面尺寸为40×l60gm的竖直矩形微通道内空气．水两相流的流型，主要有弹状流、液环流和平行流。以两相流速为坐标绘制了流型图，得出了流型转换线，并与文献中的结果进行了对比。利用高速摄像仪观察了对流T型、Y型微通道内液液两相流流型。油相为环己烷，水相为加入0．3％表面活性剂十二烷基硫酸钠(sodiumdodec

2、ylsulfate，SDS)的水溶液。观测到了滴状流、弹状流和平行流三种流型，实验发现流型转换线受微通道尺寸和进口方式的影响。以两相流的表观速度为坐标轴绘制了流型图，并与已有报道进行了对比。利用高速摄像仪研究了对流T型和垂直型微通道内液滴的生成过程及机理。考察了微通道结构和尺寸、两相流率、流体物理性质(黏度、界面张力)等对液滴生成的影响。对于弹状流流型中的液滴，其生成主要是由两端压力降(积压)控制，液滴生成尺寸与两相流量比呈正比关系；对于滴状流中的小液滴，其破裂主要受剪切力和界面张力控制，液滴的生成尺寸与毛细管数呈指数关系。基于两端压力降和剪切力的共同作用机理，用毛细管数Ca和

3、两相流量比p对不同进口方式的微通道内液滴生成尺寸进行了关联和预测，预测值与实验结果吻合良好。关键词：微通道，微流体，两相流，流型，液滴生成ABSTRACTInrecentyears，microfluidictechnologyhasdevelopedrapidlyandbeenwidelyused．Themultiphaseflow，asthebasisforresearchandapplicationofmicrofluidics，hasbeenattractedmuchattention．Inthispaper，two-phaseflowpatternsanddroplet

4、formationinmicrochannelswerestudied．Theair—watertwo-phaseflowpatterns，includingslug，annularandstratifiedflow，inverticalrectanglemicrochannelswiththedimensionof40×160lamwereinvestigatedbymeansoflaserimagemagnifyingtechnique．Aflowpatternsmapwasconstructedtoobtainthetransitionslineswiththeflowr

5、atesofbothphasesasthecoordinates，andwascomparedwiththeresultsintheliterature．Ahigh-speedcamerawasusedtoobservetheliquid-liquidtwo—phaseflowpatternsintheTandY-junctionmicrochannels．Cyclohexaneanddemonizedwaterwith0．3％surfactantsodiumdodecylsulfate(SDS)，wereemployedastheoilandwaterphase，respec

6、tively．Threemainflowpatternswereobserved：droplet，slugandparallelflow．Thetransitionlinesofflowpatternswereaffectedbymicrochannelsizeandthewayoffeeding．Aflowpatternsmapwasconstructedwiththeapparentflowratesofbothphasesasthecoordinates，andwascomparedwiththeexistingreports．Theprocessesandthemech

7、anismsofdropletformationinthemicrochannelswithhead-onT-junctionsandvertical-junctionwerestudiedusingthehigh—speedcamera．Theeffectsofthegeometryandsizeofmicrochannels，flowratesofbothphasesandphysicalproperties(viscosityandinterfacialtension)offluids