微通道内气液两相流及传质研究

论文摘要

随着微化工技术的发展,微通道内气液两相流的流动行为已成为化工领域的研究前沿和热点。本文对微通道内气液两相流的流型、空隙率、压力降和传质过程进行了研究。采用激光影像放大技术,观测了竖直放置的T形40μm×250μm和100μm×800μm的两种矩形截面微通道内气液两相流的流型。实验发现了文献中从未报道过的稳定分层流型,而且微通道内的流型转换图与文献中的流型转换图差别很大。利用图像处理软件分析Y形100μm×400μm和T形100μm×800μm两种矩形截面微通道中部的流型图照片得到空隙率α,发现本实验中微通道内的空隙率α与气体体积流率β不再成线性关系,与常规尺度通道中的情况相差很大。通过测量Y形100μm×400μm和T形100μm×800μm两种矩形截面微通道进出口的压力来计算微通道内的压力降梯度ΔP。发现对于矩形微通道来讲,通道的深宽比对其压力降梯度影响较大,而放置方式对其压力降梯度的影响不太明显。在实验数据的基础上,对已有两相摩擦系数ΦL2的计算公式进行改进,提出了新的预测公式。利用气体的PVT关系求出Y形100μm×400μm和T形100μm×800μm两种矩形截面微通道内CO2-水的液侧体积传质系数kLa,发现其比常规尺度气-液接触设备至少提高了3个数量级,说明微通道中的气液两相质量传递效果相比于宏观系统得到了明显强化。此外,还发现kLa同时受气液表观速率和气液两相流型的影响。在相同的气液两相流型下,kLa随气液表观速率的增大而增大,而对于不同的气液两相流型,液环流时kLa最大。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 微通道内气-液两相流的流型
• 1.2 微通道内气-液两相流的空隙率
• 1.3 微通道内气-液两相流的压力降
• 1.4 微通道内气-液两相流的质量传递
• 1.5 本文工作
• 第二章 微通道内气液两相流的流型研究
• 2.1 实验装置及原理
• 2.2 实验步骤
• 2.3 微通道内气液两相流流型及讨论
• 2.3.1 弹状流
• 2.3.2 弹状-液环流和液环流
• 2.3.3 扰动流和液环-分层流
• 2.3.4 分层流
• 2.4 微通道内气液两相流流型转换图及讨论
• 2.4.1 本实验中两种矩形微通道内的流型转换图
• 2.4.2 与 K. A. Triplett 的流型转换图的比较
• 2.4.3 与 S. Saisorn 的流型转换图的比较
• 2.4.4 与 P. Zhang 的流型转换图的比较
• 2.4.5 与 P. M. -Y. Chung 的流型转换图的比较
• 2.4.6 与 A. Kawahara 的流型转换图的比较
• 2.4.7 与 P. M. -Y. Chung 的流型转换图的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 微通道内气液两相流的空隙率研究
• 3.1 实验装置及原理
• 3.2 数据处理方法
• 3.3 几种重要的空隙率的计算模型
• 3.4 空隙率数据的关联
• 3.5 本章小结
• 第四章 微通道内气液两相流的压力降研究
• 4.1 实验装置及原理
• 4.2 实验步骤
• 4.3 本实验的压力降数据
• 4.4 本实验所用的压力降模型的简介
• 4.4.1 Lockhart-Martinelli 关联式
• 4.4.2 Homogeneous 模型
• 4.4.3 Chisholm 修正式
• 4.4.4 Hibiki 修正式
• 4.5 实验数据与4 种典型压力降模型预测值的比较
• 4.5.1 与Lockhart-Martinelli 关联式预测值的比较
• 4.5.2 与Homogeneous 模型预测值的比较
• 4.5.3 与Chisholm 修正式预测值的比较
• 4.5.4 与Hibiki 修正式的预测值的比较
• 4.6 本实验中微通道内两相压力降的新的关联式
• 4.7 本章小结
• 第五章 微通道内气液两相流的质量传递研究
• 5.1 实验装置及原理
• 5.2 实验步骤
• 5.3 传质系数的计算方法
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 符号说明
• 致谢