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

周乃香

(山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shì)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(duì)液液兩相流型及流動(dòng)特征的研究[3]。即使在微通道中液液兩相間的流動(dòng)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(duì)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(duì)微通道內(nèi)液液兩相的流型及流動(dòng)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(dòng)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(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究[7]。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

朱春英等[8]展開了對(duì)液液兩相流流動(dòng)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(gè)部分，通過微量注射泵完成流體驅(qū)動(dòng)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(duì)兩相流流型的影響。當(dāng)水相流速大于油相流速時(shí)，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(huì)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(duì)增大時(shí)，油相液滴的體積也會(huì)增大，液滴間距比滴狀流近，但并不會(huì)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(shí)，水相和油相分別在微通道的一邊流動(dòng)互不干擾，形成相對(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)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(duì)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(cè)模型。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(shí)間的增加柱狀流會(huì)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(shí)更可能產(chǎn)生更大更穩(wěn)定的液滴，而當(dāng)角度增至180°時(shí)，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(cè)模型，將提出的液滴體積的預(yù)測(cè)模型和實(shí)際形成的液滴體積相比較，預(yù)測(cè)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(chǎng)分布示意圖。

圖2 Y型微通道內(nèi)液滴生成過程流場(chǎng)分布[12]

2 國(guó)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(huì)導(dǎo)致剪切力和表面張力之間的競(jìng)爭(zhēng)。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(dòng)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(duì)微通道中兩相流流動(dòng)的研究仍不夠深入。由于長(zhǎng)度尺寸足夠小時(shí)液體中的慣性效應(yīng)可以忽略不計(jì)，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(dòng)都為線性的層流流動(dòng)，這一結(jié)果被實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)芯片中。Ushikubo等[14]對(duì)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(duì)Y型通道內(nèi)液滴形成的作用較小，而對(duì)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(dòng)工況。在較低的流速和流體粘度下，無法生存液滴。這個(gè)結(jié)論基本與T型通道內(nèi)的結(jié)果相反。后者對(duì)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(zhǎng)度的表達(dá)式。該表達(dá)式可以詳細(xì)的預(yù)測(cè)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(duì)液滴尺寸和液滴間距的影響，當(dāng)相互作用力變大時(shí)，需要更長(zhǎng)的液滴分離時(shí)間，因?yàn)樗嗔黧w中的內(nèi)聚力增加。因此，液滴長(zhǎng)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(huì)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(huì)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(dòng)廣泛應(yīng)用于微化工領(lǐng)域，現(xiàn)階段對(duì)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(jì)提供基礎(chǔ)。