微通道内氮气/羧甲基纤维素钠溶液两相流的运动特性研究

论文摘要

微流控技术涉及流体、机械、化学和生物医学等多个学科,在化学工程、生物医学和国防等多个领域具有广泛应用,一直是国内外学者研究关注的热点。微流控技术研究的重点包括微液滴/微空泡的生成、操控(传递、融合和分断等)及其动力学特性。非牛顿流体普遍存在于日常生活和工业生产中,本文针对微通道内非牛顿流体气液两相流,即氮气/羧甲基纤维素钠(CMC)溶液的流动特性开展研究,旨在为微流控技术的实际应用提供理论依据和技术支持。主要研究内容如下:1.采用高速摄像系统对T型微通道内氮气/不同浓度CMC溶液的空泡生成过程进行实验研究,着重分析流速、气液流速比和溶液浓度对空泡动力学特性的影响,并结合流体动力学对微通道内气液两相流运动的流场特性进行数值模拟。研究发现:在T型微通中观察到三种流型,即柱塞流、弹状流和弹环流。气液流速比增大,空泡的尺寸增大,空泡的生成周期变长;流速增大,空泡尺寸增大,但空泡的生成周期缩短;CMC溶液浓度增大,空泡尺寸减小,空泡的生成周期缩短。2.对入口角度范围为30°～150°的Y型微通道进行实验研究,气液相分别选用氮气和0.2wt.%CMC溶液,分析了气液相入口角度、流速和气液流速比对空泡生成过程动力学特性的影响。结果表明,在不同入口角度微通道中,共出现了柱塞流、液滴流、弹状流、弹环流和射流五种流型;气液相入口角度增大,空泡尺寸先减小后增大;流速增大,气液相入口角度对空泡尺寸的影响增强。3.利用高速摄像系统对空泡在三支路微通道分岔处的运动过程进行观测,研究空泡尺寸、流速和微通道分支角度对空泡在微通道分岔处动力学特性的影响,同时,对空泡的运动过程进行数值模拟。研究发现:空泡在三支路微通道中有五种运动模式,空泡尺寸越小,空泡越易于从中间支路排出;流速越大,空泡易于从侧支路排出;在60°三支路微通道中,空泡分裂易于发生,流场作用对空泡的运动影响更加显著。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 非牛顿流体的流变学特性

1.2.1 非牛顿流体的定义和分类

1.2.2 非牛顿流体的本构方程

1.3 气液两相流的国内外研究现状

1.3.1 气液两相流流型

1.3.2 微通道构型对两相流动特性的影响

1.4 微通道内气液两相流的相分配特性

1.5 本文研究内容和意义

2 T型微通道内氮气-羧甲基纤维素钠溶液的运动特性研究

2.1 实验装置和流程

2.1.1 实验装置

2.1.2 实验步骤及参数

2.1.3 实验材料及物性参数

2.1.4 无量纲参数

2.1.5 数值模拟

2.2 结果与讨论

2.2.1 微通道中空泡生成过程及流型分布

2.2.2 空泡生成周期

2.2.3 生成空泡尺寸

2.2.4 氮气-CMC溶液与氮气-水实验结果对比

2.2.5 数值模拟结果与讨论

2.3 本章小结

3 Y型微通道内氮气-CMC溶液空泡动力学特性研究

3.1 实验装置和流程

3.1.1 实验装置

3.1.2 实验步骤及参数

3.2 结果与讨论

3.2.1 气液相入口角度对空泡生成过程的影响

3.2.2 气液相入口角度对流型的影响

3.2.3 生成空泡的尺寸

3.2.4 气液相入口角度对空泡生成周期的影响

3.3 本章小结

4 空泡在三支路微通道中的动力学特性研究

4.1 实验装置和流程

4.1.1 实验装置

4.1.2 试验步骤及参数

4.1.3 数值模拟

4.2 结果与讨论

4.2.1 90°三支路微通道中空泡的动力学特性

4.2.2 60°三支路微通道中空泡的动力学特性

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 于祥

导师: 张会臣,李辉

关键词: 空泡,溶液,型微通道,流型,三支路微通道

来源: 大连海事大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,无线电电子学

单位: 大连海事大学

基金: 国家自然科学基金(51775077)

分类号: O373;TN492

DOI: 10.26989/d.cnki.gdlhu.2019.001228

总页数: 71

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