基于協(xié)同組合的新型微混合器的數(shù)值模擬

馬廣志， 沈春銀， 董 浩， 戴干策

(華東理工大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)化學(xué)工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 上海 200237)

自20世紀(jì)80年代微通道技術(shù)用于微電子器件的散熱研究以來，微通道器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能提升研究日益深入[1]。將微通道作為反應(yīng)場(chǎng)所，微通道反應(yīng)器則可以在較小的空間距離及較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散混合，因而在樣品濃縮、化學(xué)合成、化學(xué)反應(yīng)、聚合、提取和純化、生物學(xué)分析和液滴乳化等過程中廣為應(yīng)用[2]。要使微通道器件實(shí)現(xiàn)所需功能，關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。馬欣榮等[3]設(shè)計(jì)了Y型分叉仿生微通道熱沉，優(yōu)化的分叉角為60°、分叉級(jí)數(shù)為2級(jí)，換熱性能的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，相較于直通道熱沉，在相同換熱面積與入口速度下改善了溫度均勻性并提高散熱容量，其壓降下降了近40%。姜云峰等[4]基于自相似分形理論設(shè)計(jì)了一種2級(jí)Y型微流控濃度梯度芯片，采用COMSOL Multiphysics軟件耦合速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)方法，對(duì)不同進(jìn)樣和濃度矩陣的微流控芯片進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了冪指數(shù)形及蝴蝶形濃度梯度分布。陳宏霞等[5]對(duì)小尺度、微尺度和跨尺度3個(gè)層次的T型結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)氣液兩相的相分流及相分離作用機(jī)制進(jìn)行了分析總結(jié)，認(rèn)為：分流特性主要受通道結(jié)構(gòu)、入口流型、入口流速、工質(zhì)物性等幾個(gè)因素的影響，其中入口流型的影響效果明顯；能夠?qū)崿F(xiàn)兩相流真正分離的是跨尺度T型微通道，氣液兩相流分液的動(dòng)力是界面運(yùn)動(dòng)及界面壓差。Deshmukh等[6]最早提出壓力驅(qū)動(dòng)T型微混合器，采用集成的平面微泵，以階躍函數(shù)產(chǎn)生脈動(dòng)流誘導(dǎo)通道內(nèi)流體擾動(dòng)以增加接觸面積，但需要多次脈沖才能實(shí)現(xiàn)液體混合。Ahmed等[7]提出一種馬蹄形微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用聲波作用快速產(chǎn)生氣泡以擾亂通道中的層流，從而實(shí)現(xiàn)了液體在微通道內(nèi)高效混合。Hama等[8]在直型微通道的壁面上設(shè)置V形脊內(nèi)構(gòu)件，構(gòu)成一種交錯(cuò)人字形的微混合器。模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),盡管流動(dòng)處于層流狀態(tài)，該微混合器可快速有效地實(shí)現(xiàn)流體混合。Tripathi等[9]在雷諾數(shù)Re=1～100范圍內(nèi)，對(duì)螺旋形微通道混合器內(nèi)乙醇與水的混合特性及壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與蛇形及直形微通道混合器進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在螺旋形及蛇形混合器中都會(huì)產(chǎn)生二次流渦旋并隨雷諾數(shù)的增大而增強(qiáng)；Re=1時(shí)3種混合器的混合指數(shù)接近；螺旋形及蛇形微通道混合器的混合指數(shù)會(huì)隨Re的增大先降后升、存在極低值，但均優(yōu)于直形微通道混合器，而直形微通道混合器則呈單調(diào)下降趨勢(shì)；Re=50時(shí)，螺旋形微通道混合器的混合指數(shù)比直形微通道混合器提高373%、比蛇形微通道混合器提高55.6%，在Re=100時(shí)則分別提高554.9%和17.3%；低雷諾數(shù)下3種混合器的壓降幾乎相同，高雷諾數(shù)下螺旋形及蛇形微通道混合器的壓降僅略高于直形微通道混合器的壓降。

國(guó)家“十三五”規(guī)劃提出了優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)能源技術(shù)等能源戰(zhàn)略任務(wù)，為生物柴油[10-11]技術(shù)發(fā)展提供了極好機(jī)遇。采用微通道反應(yīng)器進(jìn)行生物柴油合成具有反應(yīng)控制精確性高、產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)一性好、傳質(zhì)效率高、反應(yīng)快、副產(chǎn)物少和生產(chǎn)安全性高等優(yōu)勢(shì)[12]。但通過微型裝置并行化來提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)在微通道反應(yīng)器中連續(xù)合成生物柴油使其產(chǎn)量達(dá)到產(chǎn)業(yè)規(guī)模必須關(guān)注兩個(gè)問題，即并行化反應(yīng)器的流量分配與微通道內(nèi)的混合性能。這些問題的解決都需要從微通道的結(jié)構(gòu)著手，而采用數(shù)值模擬的手段進(jìn)行微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，則可顯著縮短開發(fā)時(shí)間、減少項(xiàng)目成本[13-15]。

微通道技術(shù)的基礎(chǔ)研究已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，并在傳熱、傳質(zhì)與混合及分離方面獲得了大量的應(yīng)用。被動(dòng)式微混合器常用的入口形式大多為T型、Y型等。除直型主通道外已有添加內(nèi)構(gòu)件以提高目標(biāo)性能的大量研究，如立體多入口層流微混合器，通道折式Tesla型及C型微混合器，內(nèi)嵌障礙物或擋板并將混合通道設(shè)計(jì)成蛇形、螺旋形、分流匯合型的弧形微混合器等。主動(dòng)式微混合器則包括壓力、聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)以及熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)式微混合器[16]。但對(duì)入口結(jié)構(gòu)與主通道結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的研究報(bào)道則較少。現(xiàn)針對(duì)微通道反應(yīng)器的混合問題，基于協(xié)同強(qiáng)化理念，利用多入口和障礙物構(gòu)件組合設(shè)計(jì)一類雷諾數(shù)適用范圍較廣、混合性能較好的被動(dòng)式組合結(jié)構(gòu)微混合器，采用CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬研究操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型微通道反應(yīng)器混合性能的影響，以期為微通道合成生物柴油微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 幾何模型

在反應(yīng)器中可以通過流股細(xì)分提高物流間的接觸面積以改善混合，同時(shí)在流股間通過構(gòu)件干擾以速度擾動(dòng)產(chǎn)生混沌渦流進(jìn)而提供對(duì)流混合驅(qū)動(dòng)力亦能有效改善體系的混合性能?；诮M合強(qiáng)化理念，設(shè)計(jì)了一種含有入口段和內(nèi)構(gòu)件混合段的新型被動(dòng)組合式微通道混合器，力求提高應(yīng)用于生物柴油制備的微通道反應(yīng)器中兩種原料(即油與醇)的混合能力，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1所示的微混合器中，通道截面為深度H、寬W的矩形，相鄰入口段距離為L(zhǎng)1，入口段長(zhǎng)度L2，入口段與主通道夾角α，通道內(nèi)圓形阻塊的直徑為D，主通道長(zhǎng)度為L(zhǎng)。入口編號(hào)為1～7。具體參數(shù)模擬值如表1所示。

圖1 微混合器幾何結(jié)構(gòu)示意圖

表1 微通道結(jié)構(gòu)初始模擬值

2 數(shù)值模擬

2.1 模型方程

常規(guī)尺度下的宏觀流動(dòng)，因?yàn)樵O(shè)備特征尺寸遠(yuǎn)大于其內(nèi)部流體分子的平均自由程，其流動(dòng)過程假定為連續(xù)性介質(zhì)，進(jìn)而推導(dǎo)出流體流動(dòng)的三大主控方程，即基于質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程，基于能量守恒的能量方程和基于動(dòng)量守恒的動(dòng)量方程。研究表明，微流體屬于微尺度范疇，其流動(dòng)特征與常規(guī)尺寸下的宏觀流動(dòng)不同。這是因?yàn)槲⒊叨认?，流體流動(dòng)受到尺度效應(yīng)和粗糙度的影響。常規(guī)尺寸下的宏觀流動(dòng)中，表面張力效應(yīng)、稀薄效應(yīng)以及層流下小于5%的壁面粗糙度的影響可以忽略不計(jì)，而在微尺度下這些因素的影響表現(xiàn)的卻尤為明顯。另外，微尺度下流動(dòng)空間小，流體分子與壁面沒有足夠的撞擊頻率，而產(chǎn)生一定速度的滑移，這與宏觀流動(dòng)的無滑移壁面邊界不相同。通常，用來描述微流體流動(dòng)的模型有兩種：連續(xù)模型和分子模型。模型的適用范圍與研究的尺度有關(guān)，可以用努森數(shù)kn(分子平均自由程和特征尺寸比)判別：①kn<10-2：流體流動(dòng)滿足Navier-Stokes(N-S)方程，采用速度無滑移壁面；②10-210：由于稀薄效應(yīng)，分子間自由運(yùn)動(dòng)，幾乎無碰撞。

涉及的微流體屬于微尺度范圍中較大的數(shù)量級(jí)，研究微結(jié)構(gòu)特征尺寸大于10-6m，特征尺寸遠(yuǎn)大于分子平均自由程，kn小于10-2。再考慮流體性質(zhì)，微通道材料制成的壁面等因素，受到的微尺度效應(yīng)影響較小，可忽略不計(jì)。因此，流體可做連續(xù)介質(zhì)處理，按經(jīng)典流體力學(xué)來求解分析其流體流動(dòng)特征。即流體在微通道中處于不可壓縮、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。其流動(dòng)主控方程如下。

(1)連續(xù)性方程。對(duì)于不可壓縮流體而言，基于質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程式為

(1)

式(1)中：u為流體速度，m/s；x、y、z為分量的方向。

(2)Navier-Stokes(N-S)動(dòng)量方程。描述黏性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的N-S方程在x、y和z3個(gè)方向上的展開式如式(2)～式(4)所示：

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；P為壓力，Pa；υ為流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

(3)對(duì)流擴(kuò)散方程?；旌线^程中不同流體層間產(chǎn)生質(zhì)量輸運(yùn)的對(duì)流擴(kuò)散方程為

(5)

式(5)中：C為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為流體間的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

2.2 求解設(shè)置

求解設(shè)置為三維雙精度、非耦合隱式穩(wěn)態(tài)；采用 SIMPLES(semi-implicit method for pressure linked equations)算法耦合壓力與速度；空間離散格式采用二階迎風(fēng)；殘差設(shè)置為10-5。

所研究的流體分子自由程遠(yuǎn)小于流體流動(dòng)的特征尺寸，滿足壁面無滑移，故微通道的壁面采用無滑移壁面邊界條件。通道入口邊界類型設(shè)置為速度入口，入口分別是純油脂，純醇進(jìn)料，醇油進(jìn)料量摩爾比為6∶1，其中油與醇的擴(kuò)散系數(shù)使用Wilke-Chang方程[17]計(jì)算，結(jié)果為1.2×10-9m2/s，醇和油的物理性質(zhì)如表2所示。出口邊界類型設(shè)置成壓力出口，出口壓力值設(shè)為靜壓力P=0。

表2 流體物理性質(zhì)

2.3 評(píng)價(jià)方法

通過歸一化混合強(qiáng)度(MI)來評(píng)價(jià)流體流經(jīng)微通道各截面的混合效果[5]。MI的定義為

(6)

式(6)中：σ為通道截面上的濃度標(biāo)準(zhǔn)差；σmax為通道截面濃度最強(qiáng)方差。

σ及σmax分別按式(7)和式(8)計(jì)算：

平泉市群山環(huán)繞，雖然為城市的綜合綠化和生態(tài)環(huán)境的改善提供了必要的支撐，但城區(qū)內(nèi)用地緊張，綠化用地不足，眾多地區(qū)呈現(xiàn)綠地、綠帶斷層，綠地系統(tǒng)尚未形成完整的網(wǎng)絡(luò)布局，不能充分發(fā)揮綠地的綜合效益。

(7)

(8)

式中：Ci為截面上第i網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的濃度；Cm為截面上濃度的期望值；Cmax為截面上的最大濃度；N為截面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；MI為某通道截面處的混合強(qiáng)度，介于0～1，MI=0時(shí)表示無混合發(fā)生，MI=1時(shí)表示完全混合，MI越大混合效果越好。

2.4 有效性驗(yàn)證

對(duì)比Liu等[18]直通道微混合器混合性能研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證本文研究中模擬微通道內(nèi)流體混合的計(jì)算有效性。與文獻(xiàn)[18]中直通道微混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，模擬考察了雷諾數(shù)對(duì)直通道微混合器混合性能的影響結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，本文中模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)[18]結(jié)果趨勢(shì)基本一致。增大流速提高雷諾數(shù)，混合程度變差。其中，雷諾數(shù)Re=5時(shí)，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[18]中相差較大，但相對(duì)誤差也僅是3.7%。所以本文研究中采用的數(shù)值模型、條件設(shè)置以及模擬結(jié)果都是合理有效的。

圖2 文獻(xiàn)值與模擬值對(duì)比

3 結(jié)果與討論

3.1 入口角度對(duì)混合的影響

不同的入口角度，使流體經(jīng)入口段進(jìn)入主通道的速度方向不同，其對(duì)沖擾動(dòng)程度不同，同時(shí)不同入口角度還會(huì)使流體相遇的接觸面大小也不同。因此，入口角度對(duì)流體在微通道中的混合產(chǎn)生影響。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，雷諾數(shù)為0.1條件下分別對(duì)0°、30°、60°、90°的入口角度進(jìn)行混合模擬，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 不同角度入口段油質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

由圖3可以看出，不同角度的入口段中流體交匯處產(chǎn)生的擾動(dòng)程度不同。0°入口段物料自入口至混合通道間有明顯的分區(qū)，匯入主通道時(shí)層間的接觸面積很??；60°與90°入口段結(jié)構(gòu)在逐次匯入主通道時(shí)物料層間彼此疊壓擾動(dòng)并發(fā)生擴(kuò)散混合作用，但層間接觸長(zhǎng)度仍然較小，分別為寬度的1.15倍和1倍；而30°的入口段結(jié)構(gòu)，在7個(gè)入口全部匯入主通道前，彼此層間的接觸長(zhǎng)度為入口寬度的2倍，其擾動(dòng)混合作用最大。由圖4和圖5看出入口角度為30°時(shí)，在主通道的入口附近，其混合強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到0.70，而在通道出口截面上的混合強(qiáng)度則可達(dá)0.914，分別高出0°設(shè)計(jì)的7.46%，90°設(shè)計(jì)的5.25%。

圖4 各截面處的混合強(qiáng)度曲線

圖5 混合強(qiáng)度隨入口角度變化曲線

圖6為不同角度下主通道上的壓力損失變化曲線，雖然30°入口角度下的壓力消耗最大，但只比壓力消耗最小的0°入口設(shè)計(jì)高出2.38%，而混合強(qiáng)度提升則了7.46%，顯然是有效的。

圖6 壓降隨入口角度的變化曲線

3.2 組合式內(nèi)構(gòu)件對(duì)混合的影響

3.2.1 幾何模型

圖7 新型組合式微通道平面示意圖

3.2.2 組合式微通道流動(dòng)特性分析

圖8為Re等于0.1及100時(shí)通道內(nèi)局部速度矢量圖。由8圖可以看出Re=0.1時(shí)，通道內(nèi)無明顯渦流，而Re=100時(shí)構(gòu)件前后則產(chǎn)生了明顯渦流。這表明Re=0.1時(shí)，流體在通道內(nèi)呈層流流動(dòng)，混合主要依靠分子擴(kuò)散作用；Re=100時(shí)，流體在通道內(nèi)受構(gòu)件的影響，由無旋渦流變?yōu)橛芯植啃郎u流，隨著局部渦流的出現(xiàn)，打破了本來的層流流動(dòng)狀態(tài)，混沌性增強(qiáng)，對(duì)流擴(kuò)散混合作用增強(qiáng)。

圖8 混合單元內(nèi)速度矢量圖

圖9為沿流動(dòng)X方向在X=2.2 mm處截面上的X向速度分量結(jié)果。由圖9(a)可以看出：Re為0.1和1時(shí)，流體全部沿X正方向流動(dòng)且Re=1時(shí)流動(dòng)速度大于Re=0.1的。由圖9(b)可見，當(dāng)Re為10和50時(shí)，出現(xiàn)局部流體沿X負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，這就是渦流產(chǎn)生的標(biāo)志；當(dāng)Re增大時(shí)，渦流擾動(dòng)越明顯，渦的產(chǎn)生可以提高傳質(zhì)效果，但也會(huì)引起局部阻力增大。因此對(duì)于微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在考慮渦流對(duì)流增強(qiáng)擴(kuò)散作用的同時(shí)，需要盡可能地避免不必要的壓力損失。

圖9 不同雷諾數(shù)下X=2.2 mm截面中心線上流體X方向速度分量

3.2.3 圓形阻塊構(gòu)件直徑的影響

在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過對(duì)不同直徑D圓形阻塊構(gòu)件的組合式微混合器的模擬計(jì)算，分析其直徑D在不同雷諾數(shù)下對(duì)混合性能的影響，得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 混合強(qiáng)度隨Re及D/W變化曲線

圖10(a)為不同直徑D下的微通道混合效率隨雷諾數(shù) (0.10.5(D>120 μm)時(shí)，混合強(qiáng)度隨著D增長(zhǎng)而增大的趨勢(shì)減慢。Re=50～100時(shí)，D的增大對(duì)混合強(qiáng)度的影響減弱，這是由于此時(shí)主要依靠對(duì)流混合，D增大導(dǎo)致的擴(kuò)散作用對(duì)混合效果的影響減弱。

圖11為不同阻塊直徑D下的微通道的壓力損失曲線。由圖11可知，微通道進(jìn)出口壓降的總變化趨勢(shì)是隨著雷諾數(shù)的增加而增大的。當(dāng)D/W=0.25～0.5)(D=60、90、120 μm)時(shí)，相同Re條件下，壓降增幅不明顯，但當(dāng)D大于120 μm繼續(xù)增加時(shí)，壓降增幅加大。綜合壓降和混合強(qiáng)度的變化，可見最佳圓形阻塊直徑為D/W=0.5(D=120 μm)。

圖11 不同D/W下微通道壓降曲線

3.2.4 三角擋板構(gòu)件高度的影響

在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，改變?nèi)切螕醢鍢?gòu)件的高度H1，考察微通道混合強(qiáng)度隨雷諾數(shù)Re的變化曲線，結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，隨著H1的不斷增大，混合效果改善，H1=0(無擋板)條件下，在Re=10時(shí)處的混合強(qiáng)度最低僅為0.754，而其他幾種擋板高度下，混合強(qiáng)度最低點(diǎn)在Re=1處。這是由于H1=0時(shí)，無三角擋板，流體只能依靠圓形組塊構(gòu)件產(chǎn)生混沌流強(qiáng)化混合，產(chǎn)生渦流所需雷諾數(shù)較大。圖12(b)是不同雷諾數(shù)下混合效率隨H1變化的曲線。由圖12(b)可以看出，Re為1、10和50時(shí)，混合強(qiáng)度對(duì)H1變化敏感，H1增大時(shí)，混合強(qiáng)度增大明顯。但Re為0.1和100時(shí)，H1的變化對(duì)混合強(qiáng)度影響較弱，這是由于Re=0.1時(shí)流速小，流體在微通道停留時(shí)間長(zhǎng)，混合由擴(kuò)散作用主導(dǎo)；當(dāng)Re=100時(shí)流速足夠大，在含有圓形阻塊構(gòu)件的主通道內(nèi)足以形成渦流強(qiáng)化混合。由圖12(b)還發(fā)現(xiàn)，H1/W>0.5(H1>120 μm)混合強(qiáng)度曲線保持平穩(wěn)，因此120 μm的擋板高度即可滿足流體混合要求。圖13為不同擋板高度H1下的微通道壓降曲線，由圖13知在Re=0.1～10范圍內(nèi)，壓降不隨H1/W而變；但Re=50～100范圍內(nèi)，H1/W>1/3時(shí)壓降開始增大，Re=100時(shí)增大尤為明顯。考慮混合效率和壓降損失，確定H1/W=1/2即H1=120 μm為優(yōu)化的三角形擋板高度。

圖12 混合強(qiáng)度隨Re及H1/W變化曲線

圖13 不同H1/W下微通道壓降曲線

3.2.5 內(nèi)構(gòu)件間距的影響

考察三角形擋板與圓形阻塊構(gòu)件間距P對(duì)混合產(chǎn)生的影響，其P分別為240、270、300、330和360 μm，得到的模擬結(jié)果如圖14～圖15所示。圖14(a)為不同P/W下混合強(qiáng)度隨Re的變化曲線。由圖14(a)可以看出，P/W=1.25～1.375(P=300和330 μm，即P/W=5/4～11/8)時(shí)，在0.1

圖14 混合強(qiáng)度隨Re及P/W的變化曲線

圖15 不同P/W下微通道的壓降曲線

3.3 通道長(zhǎng)度對(duì)混合的影響

物料在微通道內(nèi)所達(dá)到的混合強(qiáng)度與微通道的長(zhǎng)度有關(guān)，其結(jié)果如圖16所示。由圖16可以看出，新型組合式微通道出口處的混合強(qiáng)度在所考察的雷諾數(shù)范圍內(nèi)都保持在0.9以上，這得益于通道入口段基于增強(qiáng)擴(kuò)散混合理念的多層設(shè)計(jì)?；旌蠌?qiáng)度相對(duì)較低的雷諾數(shù)為Re=1，這可能是流體在微通道停留時(shí)間相對(duì)Re=0.1時(shí)較短且通道內(nèi)并無混沌對(duì)流的原因。Re>10時(shí)，微通道的出口混合強(qiáng)度達(dá)0.937以上，這得益于圓形阻塊和三角擋板構(gòu)件的組合設(shè)計(jì)，能在通道內(nèi)產(chǎn)生局部渦流，通過混沌對(duì)流強(qiáng)化混合。不同雷諾數(shù)下流體混合強(qiáng)度在主通道長(zhǎng)度2.5 mm之前均增長(zhǎng)較快，長(zhǎng)度在 4.9 mm 之后混合強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。一般地，混合效率達(dá)到0.95即可認(rèn)為流體已達(dá)到完全混合狀態(tài)，此條件可在Re≤0.1和Re≥20范圍得到滿足，如若生產(chǎn)中對(duì)混合強(qiáng)度的要求不苛刻，混合強(qiáng)度達(dá)到0.9以上即可，那么新型組合式微通道在所研究的Re=0.1～100范圍內(nèi)都可以滿足，即有較大的操作彈性范圍。

圖16 混合強(qiáng)度沿通道長(zhǎng)度變化曲線

3.4 醇油摩爾比對(duì)混合影響

設(shè)定醇油摩爾比為6∶1～12∶1進(jìn)行數(shù)值模擬，考察物料含量對(duì)混合的影響，設(shè)定醇油摩爾比下油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為：0.760 8、0.731 6、0.704 6、0.679 5、0.656 2、0.634 4和0.614 0，得到如圖17所示的微通道出口混合強(qiáng)度變化曲線。由圖17可知，混合強(qiáng)度隨著摩爾比的增大而變差。其中Re=0.1時(shí)混合強(qiáng)度受摩爾比變化的影響較大、Re=100的影響較小；隨著雷諾數(shù)的增大，醇油摩爾比對(duì)混合強(qiáng)度的影響逐漸減弱。由此可見，醇油摩爾比不同應(yīng)選取適宜的Re范圍，以滿足醇油的混合效果。

圖17 混合強(qiáng)度隨摩爾比變化曲線

4 結(jié)論

基于協(xié)同組合理念，提出了一種新型組合式微通道。模擬了微混合器入口段結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)與混合的影響，并探討了通道內(nèi)組合構(gòu)件設(shè)置對(duì)混合性能的強(qiáng)化作用，優(yōu)化了微通道混合器的結(jié)構(gòu)尺寸。研究結(jié)果表明，在微通道入口段設(shè)置多入口可以增加物料間的對(duì)沖擾動(dòng)、縮短擴(kuò)散距離，改變?nèi)肟诮嵌饶茉黾游锪祥g的接觸面積，優(yōu)化得到的入口角度為30°。在混合段引入三角形擋板和圓形阻塊組合內(nèi)構(gòu)件，可以在構(gòu)件前后的流體層間產(chǎn)生混沌渦流，提供對(duì)流混合動(dòng)力。在擋板高度120 μm、形阻塊直徑120 μm、構(gòu)件間距330 μm、混合段長(zhǎng)度6 mm的適宜結(jié)構(gòu)下，雷諾數(shù)0.1