微通道内气液界面传质机理与调控

This subject aims at the interfacial mass transfer mechanism and its manipulation method for gas-liquid two-phase flow in microchannels. The evolution for gas-liquid interface during the mass transfer process of bubbles in microchannels is captured by high speed digital camera. The instantaneous flow fields and concentration fields for the interfacial mass transfer in various liquids in microchannels will be measured respectively by using a micro-particle image velocimetry (micro-PIV) and the real-time laser holographic interference technique. The influences of several parameters, such as gas and liquid flow rates, liquid properties (viscosity, surface tension and rheological properties), microchannels' geometry and size, PH value and temperature on mass transfer process between bubbles and liquids and controlling method will be studied. On the basis of Navier-Stokes equation for the moving fluids and convection - diffusion equation for mass transfer, the lattice - Boltzmann (LBM) method will be applied to simulate interfacial mass transfer between bubbles and liquids in microchannels. The transport phenomenon between gas-liquid two phases and interfacial mass transfer mechanism will be revealed. The non-equilibrium and non-linear models for predicting interfacial mass transfer between bubbles and liquids will be developed. This study paved the way for the further study on mass transfer for gas liquid two-phase flow in microsystems.

研究微通道内气液界面传质机理与调控机制。利用高速摄像仪实时测定和研究微通道内气泡传质过程的界面演化规律。采用微粒子图像测速仪（micro-PIV）、实时显微激光全息干涉仪分别对微通道内气液两相传质过程的速度场和浓度场进行实时测量。考察气液流速、流体物性、微通道结构和尺寸、流体PH值和温度等对气液传质过程的影响及调控机制。以运动流体的Navier-Stokes方程和传质对流－扩散方程为基础，采用格子－玻尔兹曼（LBM）方法，对微通道内气液传质过程进行模拟计算，结合实验测量结果，揭示该过程的气液界面传质机理，建立微通道内气液界面传质非平衡及非线性预测模型，为进一步研究微系统中气液传质特性提供实验和理论基础。

特征尺度为微米级的微通道能够强化传质过程，因此在气体的吸收、解吸、直接氟化、加氢等过程中具有良好的应用前景。气液传质过程受气液流速、通道直径、流体物性等的影响，研究微通道内的气液界面传质机理并建立相关机理模型十分必要。. 针对不同结构的微通道内气泡的生成、破裂及聚并行为进行了研究。十字聚焦微通道中泰勒气泡的生成过程中，气泡颈部最小半径与剩余时间满足幂函数关系，非线性夹断过程可分为液体挤压塌陷阶段和自由破裂阶段。考察了液相黏度对气泡生成过程界面演化规律的影响。研究了壁面限制作用下气泡颈部界面在破裂过程中的演变规律及其自相似性。结果表明，在气泡破裂过程中，由于表面张力的不均衡作用，颈部径向和轴向的演变速率不同。通过引入形变指数对颈部界面轮廓进行归一化，发现颈部界面具有自相似性。Y型和T型分岔口微通道内气泡的破裂流型可分为四种：完全阻塞破裂、部分阻塞破裂、无阻塞破裂及不破裂，并通过临界无因次气泡长度对三种破裂流型间的转变进行描述。相比于对称T型分岔口，不对称分岔口结构更容易使气泡破裂。对于非对称环路T型分岔口微通道内气泡的破裂过程，结合气泡周围流场分布，提出了气泡破裂的动力学反馈机制。研究了对称及不对称环路微通道T型汇聚处气泡的聚并行为，在T型汇聚处观测到3种主要的子气泡对行为：碰撞式聚并，挤压式聚并及不聚并，并分别提出了气泡的聚并机理。. 针对微通道内气液传质过程中的两相分散、流动及传质规律进行了研究。采用单乙醇胺水溶液、二乙醇胺/乙醇混合溶液及离子液体/乙醇混合溶液等作为吸收溶剂进行了CO2吸收实验，观测到了弹状-泡状流、弹状流、弹状-环状流和液环流。通过绘制流型图得到流型转换线，提出了伴有相间传质的气-液两相流过程的流型转换线预测模型。气-液两相传质过程对气泡初始体积、气泡生成频率影响较小，而对空隙率和两相流压降具有显著影响。气相流量的增大，液相流量、化学反应速率和深宽比的降低，均导致微通道内空隙率的增大。考虑相间传质的影响，提出了空隙率的半理论预测模型。随气液两相流量、化学反应速率和深宽比的增大，微通道内压力降均增大。基于分相模型和物理模型，建立了压力降的半理论预测模型, 提出l了液侧体积传质系数模型。