微通道中液-液弹状流的流体力学及内部循环CFD模拟

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微结构反应器在有机合成、药物筛选及化学工程领域有着广阔的应用前景。研究微通道中两相流的流体力学参数及内部循环可以为优化反应器的操作条件及开发高效的新型反应器提供指导。基于计算流体力学软件ANSYS Fluent 16.2,建立微通道二维T型模型,对微通道中液液弹状流的流体力学及内部循环进行模拟研究。主要内容包括以下几个方面:弹状流的形成机制分为:剪切机理和挤压机理。两种机理的临界毛细管数(Cacr)在0.013-0.016之间。通过改变毛细管数及两相入口体积流量考察其对液液弹状流的分散相液弹的长度、液膜厚度及分散相液弹的速度等流体力学参数的影响。确定液弹长度与两相体积流量、毛细管数等参数有关。液弹长度随分散相体积流量增加而变大,随连续相体积流量和毛细管数的增大而减小。液膜厚度与文献中的计算模型吻合很好,平均误差为11%。由于液膜的存在,液弹速度大于混合速度。根据模拟数据提出预测液弹长度与液弹速度的公式,分别为:(?)公式计算值与实验值平均误差分别为20%和17.7%。改变管道入口几何形状及尺寸,研究其对弹状流流体力学参数的影响。入口几何形状对流体力学参数影响不大,但入口尺寸对流体力学参数有较大影响。最后,本文研究了弹状流的内部循环模式,弹状流内部的速度场呈抛物线形状且关于管道中心轴对称,在中心轴线上速度达最大值。在分散相液弹内部存在两个关于中心轴线对称的反向涡形循环。分散相的体积流量影响涡形循环的位置。当分散相与连续相体积流量相等时可以达到最佳混合效果。
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