微反應器內液滴生成規律及流動特性研究進展

周乃香

(山東省城鄉規劃設計研究院，山東 濟南 250013)

20世紀以來，隨著自然科學的發展和技術水平的提高，微化工技術的優勢在越來越多的領域顯現出來。與傳統的化工技術相比較，微化工技術具有安全可控、高效節能和細微靈活等諸多優點，因此在能源、化工和制冷等領域得到了廣泛的應用[1-2]。

目前關于微通道內兩相流的研究還主要停留在實驗階段，有待做進一步的研究，特別是對液液兩相流型及流動特征的研究[3]。即使在微通道中液液兩相間的流動性能與常規尺度相比已有了顯著的提高，但由于液液兩相流具有復雜的微化工尺度效應，目前針對它的研究仍不豐富。沒有比較統一的可以判斷液液兩相形貌演化的規律和準則，因此需要加深對微通道內液液兩相的流型及流動特征的數值研究[4-5]。

微通道作為微化工系統裝置的重要組成部分，與常規尺度相比其內部的傳質傳熱、流動和反應特征有著明顯的區別，因此微通道內的多相流受到了廣泛的關注[6]。氣液和液液兩相流作為兩種最常見的多相流，國內外研究者對其進行了深入的研究[7]。

1 國內研究現狀

朱春英等[8]展開了對液液兩相流流動特征的研究，實驗系統分為流體控制系統和圖像采集系統兩個部分，通過微量注射泵完成流體驅動及流量控制。利用控制變量的方法研究了不同特征的微通道對兩相流流型的影響。當水相流速大于油相流速時，微小的油相液滴進入到水相中，但由于矩形微通道深寬比的局限性會生成直徑較小的油相液滴，且相鄰油滴間的距離遠大于微通道的寬度，稱這種流型為滴狀流；當油相流速相對增大時，油相液滴的體積也會增大，液滴間距比滴狀流近，但并不會發生液滴聚并的現象，稱這種流型為彈狀流[9]；而當水相和油相的速度都很低時，水相和油相分別在微通道的一邊流動互不干擾，形成相對穩定的界面，這種流型被稱為平行流[10-11]。液滴形成過程如圖1所示，以流速為坐標繪制的流型轉換圖表明，在實驗的流速范圍內，微通道的深寬比越小越有利于平行流的形成。平行流出現的區域隨著進口角度的減小而增大，當使用進口角度為60°的Y型微通道進行實驗時，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。微通道的形狀會決定兩相流的進口角度，實驗結果表明，進口角度對流型分布和液滴形成具有重要作用。

圖1 Y型微通道內液滴形成過程[8]

劉趙淼等[12]則以Y型通道為研究對象，通過改變Y型角度及兩相流量的大小來研究微通道內兩相界面的形貌變化規律，提出關于微通道內兩相界面形貌變化的預測模型。觀察實驗現象可以發現，對流Y型微通道內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，柱狀流較不穩定，隨著時間的增加柱狀流會慢慢轉變為穩定流型平行流。通過繪制的兩相流流型圖發現，隨著Y型微通道的角度發生改變，兩相流型及所占比例也有所區別。當Y型角度為135°時更可能產生更大更穩定的液滴，而當角度增至180°時，形成的液滴更不穩定，范圍也更小。通過"兩步法"提出了液滴體積的預測模型，將提出的液滴體積的預測模型和實際形成的液滴體積相比較，預測模型較為準確。如圖2所示為劉趙淼[12]等實驗與模擬所獲得的Y型通道內液滴形成過程流場分布示意圖。

圖2 Y型微通道內液滴生成過程流場分布[12]

2 國外研究現狀

Safran等[13]通過改變兩相速度比，在T型微通道內得到了大小不同的微液滴，他們證明了在微通道中不穩定性因素會導致剪切力和表面張力之間的競爭。微通道系統雖處于低雷諾數下，但兩相流流體間非固定的界限導致了運動方程的非線性。雖然他們概述了導致液滴形成不穩定的物理學原理，但是對微通道中兩相流流動的研究仍不夠深入。由于長度尺寸足夠小時液體中的慣性效應可以忽略不計，因而在微通道中一般不存在非穩定性和非線性因素，在多數的微通道裝置中雷諾數Re都較低，則Navier-Stokes等流體流動都為線性的層流流動，這一結果被實際應用于生產芯片中。Ushikubo等[14]對比了Y型與T型微通道內液滴生成過程的區別，二者通道內液滴形成過程如圖3所示。實驗結果表明，表面張力對Y型通道內液滴形成的作用較小，而對T型通道基本沒作用。Y型通道內液滴尺寸的變化較大，主要依賴于通道參數與流動工況。在較低的流速和流體粘度下，無法生存液滴。這個結論基本與T型通道內的結果相反。后者對應的液滴尺寸較為均勻。Korczyk等[15]討論了微通道內液滴形成過程，結果表明受限液滴尺寸主要又剪切力與毛細力的比值決定，并提出了液滴長度的表達式。該表達式可以詳細的預測液滴生成尺寸。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液滴尺寸和液滴間距的影響，當相互作用力變大時，需要更長的液滴分離時間，因為水相流體中的內聚力增加。因此，液滴長度速率和形成的間隔速率作為相互作用表面張力系數的函數線性增加，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，會導致液滴尺寸增加而液滴間距減小[17]。Ngo等[18]利用數值模擬，分析了十字匯聚通道內液滴形成過程，結果如圖4所示。

圖3 Y型與T型微通道內液滴生成過程[14]

圖4 匯聚型微通道內液滴生成過程的數值研究[17]

3 結論

微通道內兩相流動廣泛應用于微化工領域，現階段對其內液滴形成規律的研究仍有一定的不足，比如復合通道內液滴生成規律，液滴尺寸與入口形狀，液滴破裂規律，入口段傳熱傳質特性等方面。進一步的研究需要結合數值模擬與理論研究的方法，以實驗結果為基礎，獲得更為細致、可信的數學模型，為微化工優化設計提供基礎。