近日,中國科學院上海高等研究院唐志永研究員和張潔副研究員所帶領的工程科學團隊,在流動化學氣液泰勒流的精准調控研究中取得重要進展,研究成果以“Regulation of Gas-Liquid Taylor Flow by Pulsating Gas Intake in Micro-channel”為題發表在國際頂尖的化工期刊《Chemical Engineering Journal》(IF雜誌=10.652)。論文的第一作者為上海高等研究院的張亞恒博士。
微通道反應器具有熱質傳遞速率快、內在安全性高、易集成放大等優點,應用於流動化學領域强化資料、精細化學品合成具有很大潜力。在眾多流型中,氣液泰勒流操作區域寬、軸向返混低、徑向混合好,是一種適合各類反應的理想操作流型。然而,如何高效調控氣液泰勒流,進而實現微尺度下反應過程的精准控制和强化面臨挑戰。
在此背景下,研究團隊提出了一種利用脈動力場來精確調控氣液段塞流的新方法。整個體系利用脈動進氣,使氣液流動系統受到週期性的强慣性力作用的施加,從而調控液柱內部的徑向混合和軸向擴散。相對超聲等其他外加力場,該方法操作簡單,僅需要一個電磁閥系統即可達到調控目的。
該工作結合視覺化流動實驗研究和流體動力學CFD模擬,分析研究了脈動進氣管道調控氣液段塞流的時空遷移規律特徵。利用高速攝像機實驗測得脈動工况下微尺度氣液介面運動速度和加速度的特徵值,並將實驗氣泡長度與類比結果對比,有效驗證了CFD模型的準確性。同時,對氣泡形成過程中所涉及的作用力以及脈動力場下氣泡長度和速度特徵進行了詳細的分析。研究發現脈動效應可以增大慣性力對流型的施加影響,氣泡主體流動速度隨時間呈週期性波動,而且主波動頻率與脈動頻率相同。該研究工作為流動化學氣液泰勒流提供了新的調控思路,可作為一種普適的方法在强化微通道中化學反應過程中得到應用。
該工作獲得了中科院青年創新促進會、中科院STS計畫和殼牌前瞻科學項目的資助。
文章連結:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129055
圖1矩形波脈動進氣調控微通道氣液泰勒流
圖2微通道中氣泡形成過程中氣體相分佈變化(v0=0.1m/s,ε=0.5,f=8Hz)
圖3(a)T型氣液兩相彙集處各作用力與脈動頻率關係,(b)兩相匯合後下游位置的氣泡速度曲線(v0=0.1m/s,ε=0.5,f=8Hz)
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