微通道内流体混合过程强化的数值模拟分析

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1、微通道内流体混合过程强化的数值模拟研究摘要微混合器和微流体混合是微流体系统其研究的热点和重点之一，许多研究领域如生化反应、控制化学、医学分析、微／纳米颗粒制备、化学反应动力学等均要求处于层流域的微流体进行高效混合。本文以微混合器内流体混合过程的强化为重点，采用数值模拟研究方法，对在单相流和液液两相流操作条件下，微通道内流体流动和混合过程进行了较为系统的研究，主要工作如下：考察了单相流操作条件下微通道内流体混合过程的强化。采用计算流体力学方法(CFD)对三种内置阻块波浪形微混合器进行模拟研究，得到了通道内的速度场和流体混合快照图，与文献中实验结果吻合良好。数值模拟

2、研究显示，V形凹槽及阻块的设置，使通道内流场受到周期性扰动，产生较大径向速度，使流体径向线拉伸。该流体线拉伸与通道长度成指数增长，且李雅普洛夫指数为正数，表明微混合器内产生了混沌流；通过改变阻块的大小、数量和排列方式，可以加强混沌流，进而强化流体混合过程。采用体积分数函数法(VolumeOfFluid，VOF)系统研究了两相流操作条件(连续相为油相，分散相为水相)、流体物性参数和通道直径等对微通道内液滴的形成、发展和运动的影响，并比较了T形微直通道、U形和凹形微弯通道内的压差变化。结果显示，液滴形成时间随水相粘度∥小水含率￡d和毛细数Cad的增加而交长；液滴长度

3、在重力作用下，形成时间也交长。液滴长度与水含率、油含率及水油粘度比等成正函数关系，而与Cad数成反函数关系；雷诺数Red、重力作用等影响相对较小。微弯通道内液滴的形成和发展过程与微直通道类似，但在拐弯处被拉伸，液滴将变长。三种结构微通道内的压差比较显示，弯通道内单位长度压差比直通道高，说明弯通道的能量消耗较大。在采用VOF方法研究液液两相流的基础上，将标量方程(UserDefineScalar，UDS)加入分散相连续性方程，以标量浓度的变化反映分散相中组分的混合过程，分别考察了微直通道和微弯通道中液滴内流体混合过程强化的机理。由哈根．泊谡叶方程，徼液滴内将产生对

4、称的内循环流动；当混合组分在液滴内成前后放置时，该内循环可显著提升流体的混合性能，液滴运行路程l=1．4mm时，流体混合程度m如=93．8％；而混合组分成左右放置时，内循环作用则基本无影响，流体间的混合较差，混合程度mdP最高只有49．2％。微通道入1：2处对液滴内流体将产生漩涡作用，该作用对混合组分有重分布作用，依据其大小，分为过度、过小和合适等三种漩涡作用，在前二者漩涡作用下，液滴内混合组分成左右分布，不利于流体的混合；而在合适漩涡作用，混合组分成前后分布，可促进液滴内流体的II浙江大学硕士学位论文混合。微弯通道内，由于其拐弯处使液滴内对称的内循环流动转变为

5、不对称，从而混合组分之间产生流线交叉，也可促进流体混合。分析液滴流过弯通道拐弯处时混合组分界面的变化，发现：在U形弯通道的180。半圆处和凹形弯通道的90。拐弯处，流体界面将产生拉伸和折叠作用，并随着拐弯处周期性出现而周期性的拉伸和折叠，显示了混沌对流的产生，液滴内流体在混沌对流作用下，将达到完全混合(混合程度‰达到95％1以上)，是强化流体混合过程的根本原因。考察直通道入口漩涡作用和弯通道混沌对流强化混合的叠加作用，结果显示，凹形弯通道与入1：2合适漩涡作用的组合，对液滴内流体混合过程的强化最为显著，其机理为：在直通道段，入口处的合适漩涡作用使混合组分在液滴成

6、前后分布，在内循环作用下，分子扩散路径显著降低；在弯通道段，拐弯处对流体界面拉伸折叠，产生混沌对流，进一步提升流体混合效果；以上两个过程先后进行，并可叠加。关键词：微混合器；多相流；Taylor流；计算流体力学(CFD)；流体混合III微通道内流体混合过程强化的数值模拟研究ABSTRACTMicromixerandmicrofluidmixinghavebeenthemostimportantpartofmicrofluidicsystems．ManyfieldssuchaSbiochemicals，controlchemistry,medicalanalysi

7、s，micro／nanoparticlepreparation,andchemicalreactionrequirehighefficiencyoffluidsmixing．Focusingonthereinforcementoffluidsmixing，thisresearchcarriedoutthenumericalstudyoffluidsmixingundersingleandtwophaseflow．Themaincontentareasfollowing：ComputationalFluidDynamics(CFD)wascarriedoutont

8、heinvestigat