微反应器流体通道网络结构的仿生学研究

采用仿生学方法改进和优化微反应器流体通道网络结构，将生物网络结构的优化拓扑性质应用于微反应器的通道设计。借鉴了最新的生物组织形态学理论- - "异速生长理论"，首次将该理论应用于化工微反应器仿生网络的设计与开发。以"能量最小化原理"作为仿生网络构造的核心环节，展开系统的理论分析、数值计算及实验研究，探索仿生网络基本结构单元中流动阻力与混合的流体力学规律，为微反应器流体通道网络结构的改进与创新探索一条新思路。

系统地研究了仿生分叉网络构型在强化均相流体混合、非均相流体传质、以及在催化剂芯片制备、降低催化剂颗粒内外扩散中的作用：. 1. 对单级和多级T 形微通道结构中流体的混合规律进行了实验和模拟研究。研究发现, 随着流动Reynolds数的增加, 微通道内依次出现层流、涡流、卷流3 种不同流动状态; 在单级T 形微通道中, 只有当流动处于卷流状态时, 混合才得以强化; 而对于多级T 形微通道结构, 流体接触面积增大, 流向转变使得当最大尺度的混合通道中出现涡流时, 混合即增强。在相同停留时间条件下, 多级T 形微通道结构中流体混合效率明显高于单级。研究结果充分说明, 含有多级T 形结构的树状分形仿生网络结构能够极大地强化流体混合, 多级T 形网络结构是一种高效的微观混合构型；. 2. 对单级和多级T形微通道结构中水和甲苯两相流动与传质进行了实验与模拟，拍摄了两相流动流型变化，通过测量醋酸在水和甲苯两相的分配获得了T形微通道中液液两相传质系数。采用VOF流体力学模型模拟了T形微通道中弹状流的形成和变化过程，准确预测了弹状尺寸。研究发现，无论流动处于弹状流还是并行流，在保持相同停留时间条件下，多级T形微通道结构中总的体积传质系数及萃取效率明显高于单级。结果说明，含有多级T形结构的分形树状仿生网络能够有效地提高液液两相问的传质速率，多级T形网络是一种高效的微萃取构型；. 3. 借鉴生物体内循环系统的原理和组织结构特征，设计了一种具有进料、出料仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯片。对仿生通道网络构型进行了CFD模拟研究和优化计算。模拟发现，在保证相同停留时间条件下，相比传统床层式催化剂芯片，具有仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯片流动阻力极大降低。经过构型优化的仿生通道结构芯片返混小，平推效果较好。稳定性分析表明，仿生通道结构芯片还具有较好的抗干扰性，能够有效地降低流道短路或断路等不确定因素带来的不良影响，是一种理想的催化剂芯片构型。. 上述研究内容，共发表SCI和EI收录论文4篇，培养研究生3名，达到了本项目预期的研究目标。