微通道内单相及两相流的流动和传质的数值研究

摘要

微反应器由于具有尺度小、精度高、响应快、性能好、成本低、过程强化且安全等优点，得到了研究人员的密切关注。微通道是微反应器的核心部件，研究微通道的性能是研究微反应器的基础。本文通过数值模拟的方法对微通道中单相流的流动和换热以及气液两相流的流动和传质进行了研究。
　　对于单相流流动和换热，本文主要研究了微通道的当量直径、长径比和高宽比这些因素对流动和换热的影响规律。结果表明，在微通道中流体流动时的转捩雷诺数比在常规尺寸通道中的值小得多；随着当量直径的减小，流体流动的泊肃叶数、阻力系数、努赛尔数、压降都会相应地增大；当长径比L/d>60，尤其是L/d>70时，可以不考虑微通道的入口效应的影响；努赛尔数Nu随着高宽比的减小而减小，且在层流流动时，高宽比对流体在矩形微通道内的换热特性影响比较明显。
　　对于气液两相流的流动，本文通过数值模拟的方法模拟出了微通道中常见的几种流型：气泡流、弹状流和液环流，并分别得到了以空气-水和以空气-乙醇为介质的不同流型之间的流型转换图和流型转换线的关联式，同时发现气液两相流的流速、表面张力以及入口角度对弹状流气泡液柱长度都有一定的影响，并对微通道内的压降以及压力分布进行了分析研究。
　　对于气液两相流的传质，本文模拟考察了气泡的运动速度、液膜的厚度、液膜的长度以及单元的长度对气液两相流传质的影响，结果发现，气泡的运动速度的增加会加快气泡帽和液膜的传质进度，单元的长度的增加则会减缓气泡帽和液膜的传质，而液膜的厚度和液膜的长度对气泡帽和液膜的传质的影响随着时间的变化而变化。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

2 微通道内单相流的流动及换热

2.1 微通道内单相流动及换热的求解方法

2.2 微通道内单相流的数值模拟

2.3 微通道几何尺寸对单相流的流动和换热的影响

2.4 本章小结

3 微通道内气液两相流的流动模拟

3.1 模型的建立

3.2 网格划分及独立性验证

3.3 参数的设置及数值模拟

3.4 结果分析

3.5 本章小结

4 微通道内气液两相流的传质

4.1 微通道内气液两相流的传质理论

4.2 控制方程

4.3 微通道内弹状流的数值模拟

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 展望

参考文献

个人简历

在学期间发表的学术论文

致谢