专利名称：一种采集微通道中影响流动和传质因素相关参数的方法
技术领域：
本发明涉及一种微型化工领域微反应器的应用，具体涉及一种CFD (Computational Fluid Dynamics流体动力学的计算)模型采集微通道中影响流动和
传质因素相关参数的方法。
背景技术：
目前微尺度通道内多相传质反应行为的研究大多是针对具体的反应或吸收过 程，例如公开号为CN101084061;名称为使用微通道工艺技术的多相混合方法 的发明专利。研究重点多集中于其传质和反应性能的实验测量。对于微尺度通道能 否显著强化多相体系传递性能的内在科学机理，则较少有人涉及。
另外，在微系统中，由于通道尺度与流体涡旋的最小尺度相当，流体的分散和 微观混合在同一个尺度范围区，使得涡旋的产生和发展不仅对两相整体流动有显著 的影响，而且对两相的传质行为有着重要的作用；同时，这种局部形态、流动及混 合行为的差异，也使得传统的传质-反应模型(如双膜、渗透、表面更新等)在微 尺度通道内可能不再适用，必须采用新的模型和方法来关联局部的微观传质-反应 行为与整体的宏观传质试验结果。
已有的实验结果表明，微尺度通道内的多相流动特征与常规尺度相比有显著的 不同如微尺度下气液两相的流型变化及区域分布明显异于宏观尺度;在微通道中，
尺度微细化使得两相间界面积显著增大，界面张力对整体流动特性有着十分重要的
影响；由于分散相入口尺寸与通道尺寸相近，微尺度通道内的两相流体沿流动方向 可分为入口区、发展区、充分发展区等三个流型完全不同的区域，即存在两相流"端 效应"。显然，这些流动行为上的差异必然导致微尺度下多相传质行为与宏观尺度 有明显的不同。
发明内容
本发明要解决的技术问题是
通过对微通道的非连续效应和界面效应对流动和传质的影响以及流动和传质 的相互作用的分析，解决了微反应器的设计和气液反应操作过程如何优化的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案为
一种CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数的方法，其特殊之 处是，1)选取不同尺寸、形状和材质的微型通道，流经不同的气液介质；
2)采用CCD高速摄影的方法确定微通道内的气液主要流型，并考察管径、 进口尺寸和形状、表面张力等因素对流型的影响。 基于微通道内气液两相流的流型分布进行分析，然后对微通道内气液两相流 型转换准则进行分析即以常规尺寸通道内气液两相流理论为基础，借鉴微重
力条件下的气液两相流型转换准则，综合考虑微通道内流动的非连续性和界面特 性，得出微通道内气液两相流型转换的基本形式，并通过上述实验确定转换式中
的参数。
基于对微通道内气液两相流型转换准则进行分析的结果，再对微通道内气液
两相流进行模拟
1) 采用基于Eder观点的、以连续性方程为基础的VOF方法和以Boltzmann 方程为基础的格子Boltzmann方法对微通道内的气液两相流进行数值分析；
2) 根据实验结果确定的气液界面特性、空隙率、气泡尺寸等参数，改进数值模 拟方法中的各参数模型，以实现对微通道内气液两相流的准确模拟和预测。
针对微通道内气液两相流的准确模拟和预测并实现的结果，分析采用集总参 数模型和分散参数模型对微通道内气液两相流传质的描述方法。
基于上述微通道内气液两相流传质分析模型的选择所釆集的数据，采用高速 摄影法考察气泡和弹状气泡的形状和尺寸以及它们决定传质的面积，与停留时间相 关的两相相对速度、气泡和通道壁之间的液膜厚度，以及液弹的长度和速度对气液 传质系数和气液比表面积的影响。基于上述气液传质的特性分析的结果然后通过CFD (Computational Fluid Dynamics流体动力学的计算)模拟，获得微通道内气液两相流分布的流场、浓度 场等内部信息；并改变各种外部条件来考察模拟结果与实验预测各种参数变化趋势
的一致性。
基于上述对典型流型情况下气液传质模拟的结果对微通道内传质和反应进行耦 合；考察微通道内简单气液反应对传质的强化作用，并对气液两相流动、传质和反 应的同步模拟方法迸行初探。 本发明的优点是
精确度高可以在比较宽的操作范围内，精确地确定出单个因素对准确
预测气液两相反应的行为的影响。
具体实施例方式
一种CFD (Computational Fluid Dynamics流体动力学的计算)模型采集微通道 中影响流动和传质因素相关参数的方法，首先对微通道内气液两相流的流型分布进
行分析
1) 选取不同尺寸、形状和材质的微型通道，流经不同的气液介质；
2) 采用CCD (Charge Coupled Device电荷藕合器件图像传感器)高速摄 影的方法确定微通道内的气液主要流型，并考察管径、进口尺寸和形 状、表面张力等因素对流型的影响。
基于微通道内气液两相流的流型分布进行分析，然后对微通道内气液两相流 型转换准则进行分析目卩以常规尺寸通道内气液两相流理论为基础，借鉴微重 力条件下的气液两相流型转换准则，综合考虑微通道内流动的非连续性和界面特 性，得出微通道内气液两相流型转换的基本形式，并通过上述实验确定转换式中 的参数。
基于对微通道内气液两相流型转换准则进行分析的结果，再对微通道内气液 两相流进行模拟
1)采用基于Euler观点的、以连续性方程为基础的VOF方法(基本原理是 通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定自由面，追踪流体的变化,而非 追踪自由液面上质点的运动.VOF方法可以处理自由面重入等强非线性现象，所需计算时间短、存储量少，但在处理F的变化时稍显繁琐,有一定人为因素.)和以 Boltzmann方程(该方程描述了大量粒子通过碰撞相互作用的各种物理现象的统计 演化。典型的物理模型包括气体动力学、激光与等离子流等。Boltzmann方程与流 体力学紧密相关)为基础的格子Boltzmann方法对微通道内的气液两相流进行数值分析。
2)根据实验结果确定的气液界面特性、空隙率、气泡尺寸等参数，改进数值模 拟方法中的各参数模型，以实现对微通道内气液两相流的准确模拟和预测。
针对微通道内气液两相流的准确模拟和预测并实现的结果，分析采用集总参数 模型和分散参数模型对微通道内气液两相流传质的描述方法。
基于上述微通道内气液两相流传质分析模型的选择所采集的数据，采用高速 摄影法考察气泡和弹状气泡的形状和尺寸以及它们决定传质的面积，与停留时间相 关的两相相对速度、气泡和通道壁之间的液膜厚度，以及液弹的长度和速度对气液 传质系数和气液比表面积的影响。
基于上述气液传质的特性分析的结果然后通过CFD (Computational Fluid Dynamics流体动力学的计算)模拟，获得微通道内气液两相流分布的流场、浓度 场等内部信息；并改变各种外部条件来考察模拟结果与实验预测各种参数变化趋势 的一致性。
基于上述对典型流型情况下气液传质模拟的结果对微通道内传质和反应进行耦
合；考察微通道内简单气液反应对传质的强化作用，并对气液两相流动、传质和反
应的同步模拟方法进行初探。
微通道内气液两相流动行为采用高速摄影法表征微通道内的气液两相流型，
考察流体物性(密度、粘度)、界面特性(表面张力)、气液预混合形式、通道的
表面性质(润湿性、粗糙度)、通道的几何形状及特征尺寸对气液两相流的影响，
绘制微通道内气液两相流动的流型图。并结合理论分析和数值模拟，推导出微通
道内气液两相流型转换准则。
微通道内气液传质行为结合流型表征，考察微通道内气液流型对传质的
影响，确定微通道内不同气液流型下的流动特征参数(液膜厚度、液体速度、气
体速度、气泡大小)与气液传质系数和气液相间比表面积之间的内在关系，考察气液界面特性对传质的影响，并结合CFD (Computational Fluid Dynamics流体动
力学的计算)模拟，获得微通道内气液流场和浓度场分布，提出微通道内气液传 质强化的机理和方法。
微通道内气液传质和反应的耦合实验考察反应对传质的强化作用，但明 确地解释气液两相系统中反应动力学和相间传质的贡献对研究者来说是一个挑 战，因为传质和均相反应在同一液相中同时发生且密切相关。然而，总体上从比 较宽的操作范围，精确地确定单个影响对准确预测气液两相反应行为是至观重要
的。因此，CFD (Computational Fluid Dynamics流体动力学的计算)模拟成为解 决问题的有效手段。
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权利要求
1. 一种CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数的方法，其特征在于1)选取不同尺寸、形状和材质的微型通道，流经不同的气液介质；2)采用CCD高速摄影的方法确定微通道内的气液主要流型，并考察管径、进口尺寸和形状、表面张力等因素对流型的影响。
2. 根据权利要求1所述的CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数的方法，其特征在于以常规尺寸通道内气液两相流理论为基础，借鉴微重力条件下的气液两相流型转换准则，综合考虑微通道内流动的非连续性和界面特性， 得出微通道内气液两相流型转换的基本形式，并通过上述实验确定转换式中的参数。
3. 根据权利要求2所述CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数的方法，其特征在于对微通道内气液两相流进行模拟1) 采用基于Euler观点的、以连续性方程为基础的VOF方法和以Boltzmann 方程为基础的格子Boltzmann方法对微通道内的气液两相流进行数值分析；2) 根据实验结果确定的气液界面特性、空隙率、气泡尺寸等参数，改进数值模 拟方法中的各参数模型，以实现对微通道内气液两相流的准确模拟和预测。
4. 根据权利要求3所述CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数 的方法，其特征在于针对微通道内气液两相流的准确模拟和预测并实现的结果， 分析采用集总参数模型和分散参数模型对微通道内气液两相流传质的描述方法。
5. 根据权利要求4所述CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数 的方法，其特征在于对上述微通道内气液两相流传质分析模型的选择所采集的数 据，采用高速摄影法考察气泡和弹状气泡的形状和尺寸以及它们决定传质的面积，与停留时间相关的两相相对速度、气泡和通道壁之间的液膜厚度，以及液弹的长度 和速度对气液传质系数和气液比表面积的影响。
6. 根据权利要求5所述CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数 的方法，其特征在于基于上述气液传质的特性分析的结果然后通过CFD模拟， 获得微通道内气液两相流分布的流场、浓度场等内部信息；并改变各种外部条件来 考察模拟结果与实验预测各种参数变化趋势的一致性。
7. 根据权利要求6所述CFD模型采集微通道中影响流动和传质因素相关参数 的方法，其特征在于基于上述对典型流型情况下气液传质模拟的结果对微通道内 传质和反应进行耦合；考察微通道内简单气液反应对传质的强化作用，并对气液两 相流动、传质和反应的同步模拟方法进行初探。
全文摘要
本发明公开了一种采集微通道中影响流动和传质因素相关参数的方法，通过选取不同尺寸、形状和材质的微型通道，流经不同的气液介质；然后采用CCD高速摄影的方法确定微通道内的气液主要流型，并考察管径、进口尺寸和形状、表面张力等因素对流型的影响。解决了微反应器的设计和气液反应操作过程如何优化的技术问题；具有精确度高，可以在比较宽的操作范围内，精确地确定出单个因素对准确预测气液两相反应的行为的影响的优点。
文档编号G01N11/00GK101482475SQ20081001728
公开日2009年7月15日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者屈雪利 申请人:屈雪利