微通道中液体非牛顿特性对流动特性的影响

作     者：张梓舒 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张会臣

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：非牛顿流体 T型微通道 气液两相流 空泡运动 压降 

摘      要：微尺度下的流动在微流控系统中至关重要,关系到微流控系统特定功能的实现。化工和生物医疗领域中所使涉及的大多是非牛顿流体和两相流,因此,本文针对微通道中液体非牛顿特性对气液两相流的流动特性的影响开展研究,论文的主要内容如下:1.对三种溶度的聚丙烯酰胺（PAM）溶液进行黏度特性评价,选用Ostwald-de wale幂律方程表征PAM溶液的流变特性。结合PAM溶液的黏度方程,对影响微通道中流体运动特性的无量纲参数进行修正,为理论分析提供依据。2.采用高速摄像系统对T型微通道内氮气/不同浓度PAM溶液的空泡生成过程进行实验研究,着重分析流速、气液流速比和无量纲参数对空泡动力学特性的影响。结果表明,在T型微通中观察到三种流型,即柱塞流、弹状流和弹-塞流;气液流速比增大,空泡的尺寸增大,空隙率增大;流速增大,空泡运动速度增大,空隙率增大;随着雷诺数、毛细管数以及韦伯数We的增加,空泡长度呈现幂律性下降趋势,据此建立了空泡长度的预测方程。3.对微通道中两相流运动的压降进行测量,分析流速、气液流速比和溶液浓度对压降的影响。研究发现,流速越大,系统压降变化稳定后的压降值也越大;PAM溶液浓度越大,系统压降变化稳定后的压降值也越大,随着流速的增大,浓度增长带来的差异也更加明显。利用分离流模型计算层流两相流摩擦压降,建立的压降模型计算的压降值略小于实验值。4.采用计算流体动力学对微通道内气液两相流的运动特性进行数值模拟。结果表明,流型与试验拍摄的流型相同,压力降略高于实验结果;流体速度最大发生在空泡生成前,与通道壁接触的氮气处,而氮气上方的聚丙烯酰胺溶液则处于整个系统中运动速度最低的部分。