微通道内流体压力降与填充动力学研究

• 作 者: 杨潇寒
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 压力降 非牛顿流体 填充 界面 动态接触角

进入21世纪以来,化学工业最主要的目标是实现工业过程的高效可控和绿色节能。微化工技术由于具有体积小、传质性能高等特点成为化工学科的前沿和热点。本文实验研究了微通道内流体的压力降,并利用高速摄像仪探究了单微通道和对称分叉微通道内流体填充动力学机制。主要内容如下:利用压力传感器测量了微通道内牛顿型和非牛顿型流体的压降,考察流体流速、雷诺数和黏度对单相流压降的影响,与已知的压降预测模型进行了对比。并以压降为基础研究了微通道中流体的流变性质。结果表明,牛顿型流体的压降与Cornish提出的压降预测关系式较为吻合,非牛顿流体的压降与传统理论值存在较大偏差。基于压降数据得到的特定管道内表观黏度与剪切速率关系曲线与宏观流变仪测量得出的流变曲线完全不同,主要原因在于宏观流变仪的局限性和径向剪切速率的非均匀分布。利用高速摄像仪观察了单微通道内不同黏度的甘油水溶液的填充过程。填充过程分为两个阶段,第一阶段满足L与T成正比关系,此时微通道内的流动速率受惯性力和毛细压力的作用。第二阶段,L与T满足幂律关系,因接触角的变化,幂律指数n为非定值。对流体气液固前进接触角进行研究发现,当Ca值远远大于10^-4时,随时间增长,气液固接触角的前进角呈现波动,波动范围在2°以内。研究了对称分叉微通道内低黏和高黏流体的填充现象,考察了流体黏度、流速、表面活性剂对于对称分叉通道内液体填充过程稳定性和均匀性的影响。实验观察到在对称分叉微通道中低黏流体的填充在早期均匀分布,不均匀度随时间增加。随着黏度增大,高黏流体表现为在低Ca值下的流体分配不均匀性;当Ca值增加时,流体在分支微通道中以相同的速度传播,出现对称分布的图案。加入表面活性剂后流体在两个分叉微通道内分配均匀,气液固前进角较稳定,且小于未加入表面活性剂的气液固前进角。